一种液冷储能系统半实物仿真方法及系统与流程

本发明属于电池热管理，尤其是涉及一种液冷储能系统半实物仿真方法及系统。

背景技术：

1、基于锂离子电池的电化学储能系统，其能量储存、充放性能的发挥很大程度上受温度影响，为此，领域内技术人员投入了大量精力进行散热设计和控制策略优化，其中主要方法就是采用仿真建模方式指导散热和控制策略设计优化。其中，如图1所示为海博思创提出的风冷储能系统温度反馈控制的一维仿真模型建模方法，但是该方案采用风冷散热，其散热效果逊色于液冷散热。液冷热管理设计方案由于具有更好的控温效果，现已成为业内重点布局的技术方向。

2、当前储能系统仿真建模工作，主要集中热管理效果仿真验证，通常将储能电池系统等效为产热量随运行策略变化而变化的热源，通过对导热介质、散热结构进行分析计算，验证热管理设计方案(液冷设计+策略控制)效果，实现将储能系统温度范围及温差控制在目标值。

3、然而常规的热仿真方法，如图2所示的科陆所提液冷储能系统建模方法，模拟给定液冷设计下的系统温度极差，需基于三维数模进行网格划分，采用有限元分析软件，经过前处理、求解器计算和后处理三个阶段，对仿真硬件资源要求较高，且所需时间较长，而产品开发前期，通常需对储能系统进行多策略、多工况多次仿真评估，以基于仿真结果优化热管理设计及控制策略改进，当前方法显然难以方便地获取、分析变工况复杂场景下的液冷系统热管理控制效果。

4、此外，现有方案需在储能系统结构设计完成的基础上，进行热仿真计算分析，存在模型复杂度高，仿真周期久等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述问题，提供一种液冷储能系统半实物仿真方法及系统，该方法采用电芯热管理和冷板降阶建模方式实现，能够有效提高仿真速度，缩短仿真周期。

2、为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、液冷储能系统半实物仿真方法，其特征在于，该方法包括：

4、s1.搭建由电芯按照实际成组方式构成的液冷pack(电池包)仿真模型，液冷板设置于pack底部；

5、将构成pack的每个电芯视为一个等温整体，其热量构成包括产热q和散热qo；

6、产热q由电芯特性和运行工况决定，散热qo与液冷板设计和热管理策略相关；

7、s2.将所属电池包模型内的电芯，按照电芯换热特征不同进行分区；

8、s3.构建散热网络模型：在已有的实体液冷板上按照pack结构在每个区域设置一个与电芯比热接近(优选一致，当没有一致时，尽量选择接近的实心金属块，具体由本领域技术人员把握)的等效于区域内全部电芯叠加的实心块，以将同一区域内的电芯视为一个整体；实心块的体积是区域内所有电芯的总和，各个面也是所有电芯相应面的等效叠加，也就是说，区域内所有电芯整体上构成什么外观，实心块就是什么样的外观。按照pack实际需求设计实体模型，以使参数更加精确。

9、s4.使用散热网络模型对液冷板设计和热管理策略标定各电芯与液冷板的温差δt；

10、s5.液冷pack仿真模型基于步骤s4确定各液冷板设计和热管理策略下的温差δt，进而确定散热qo；

11、s6.根据产热q和散热qo计算各电芯或区域内整体电芯的温度，输出相应液冷板设计和热管理策略下的控温结果，包括温度分布和最大温差等，以用于指导优化液冷设计和热管理策略。

12、将模型简化，同时半实体的方式获取一些参数，且由于实体部分也仅仅是以pack为单位的液冷板和等效实心块，所以结构上也十分简单，既能够通过实物获取更精确的参数，又能够以较简单的模型和结构实现仿真，能够同时兼顾效率和精度。

13、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，步骤s6之后还包括：

14、s7.当控温结果不满足要求时，更换热管理策略重复步骤s4-s6，直至筛选出至少一个满足要求的结果，以进行热管理策略优化；

15、s8.当所有换热管理策略的控温结果均不满足要求时，优化冷板结构设计，随后重复步骤s4-s7，以实现最优热管理目标。

16、对pack仿真模型输入运行工况，选择初始热管理策略，即可基于散热网络模型得到相应热管理策略下的标定参数，具体是使用散热网络模型得到各实心块和冷板各相应位置的温度，随后可计算实心块和冷板的温差，实心块的温度也是对应电芯的温度，所以也可以得到电芯的温度。然后pack仿真模型根据参数输出控温结果，判断控温结果是否满足要求，不满足，则更换热管理策略，相应的参数也跟着改变，直到满足要求，此为热管理策略优化过程。若所有热管理策略均不满足要求，则更换液冷板，重复热管理策略仿真，此即优化液冷板设计结构。在优化热管理策略过程中，可以同时切换运行工况，以使优化的热管理策略能够满足多种运行工况。由于系统使用的是pack级简单结构，模型简单，计算简单，所以模拟过程很快，能够快速实现针对多种运行工况的仿真优化测试，大大缩短仿真周期。

17、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，步骤s1中，基于ecm搭建电芯模型以将电芯视为一个等温整体，电芯的温升模型δt’＝(q-qo)/(m*c)，q表示电芯产热量，qo表示散热量，m表示电芯质量，c表示电芯比热容。

18、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，基于等效电路模型(ecm)搭建一维电芯仿真模型，，故一个电芯的等温整体包括欧姆热qω和反应热qr；同一电池系统，通常由同样的电芯构成，故对于一个电池系统，或者说对于一个pack，所有电芯具有相同的产热q。

19、通过如下方式确定等温整体的欧姆热qω：

20、通过二阶rc等效电路模型定义等温整体，即qω＝∑i2*ri(i＝0,1,2)，发热量受通过的电流i和等效电阻r决定，电流i与运行工况相关，电阻r与电芯特性相关，i表示计数符号；

21、通过如下方式确定等温整体的反应热qr：

22、通过bernadi模型方程定义,即qr＝i*t1*(docv/dt)，其中t1为绝对温度，i表示电流，docv/dt表示微分，即为δocv/δt，ocv随温度变化的比例。由于一个系统通常采用同样的电芯，故具有同样的等效电阻，而一个系统在使用时内部电芯通常有同样的电流，故一个系统内，也就是一个pack内，每个电芯具有同样的产热。

23、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，步骤s3中，仿真系统根待模拟工况获取电芯产热量q，将热量q等效施加于各实心块以模拟液冷pack进行实物搭建，实心块对应几个电芯，就有几个q叠加；

24、电芯的散热qo包括三个部分，电芯间的散热、电芯与空气间的散热、电芯与液冷板之间的散热，此处将一个区域的电芯打包视作整体，用比热接近的实心块等效，所以电芯间、电芯与空气间、电芯与液冷板间即实心块间，实心块与空气间，实心块与液冷板间。

25、步骤s2中，电芯换热特征包括上述三个散热部分的组合方式，根据电芯关于三个散热部分的组合方式不同，将电池包模型内的电芯划分为若干区域。

26、步骤s2中，同一区域内的电芯具有相同的换热特征，同一电池包模型内的电芯根据换热特征和所处位置被划分为至少九个区域，四个角落的电芯分别被划分为四个区域s1、s3、s7、s9；s1-s3所在列之间的电芯都是顶面及一个大面与空气对流换热，侧面、大面与两侧电芯和x向相邻电芯间换热，底部则与冷板接触换热，被划分为区域s2；s7-s9所在列之间的电芯都是顶面及一个大面与空气对流换热，侧面、大面与两侧电芯和x向相邻电芯间换热，底部则与冷板接触换热，被划分为区域s8；s3-s9所在行之间的电芯在一个侧面和顶面与空气对流换热，大面、侧面均与相邻电芯接触换热，底部则与冷板换热，被划分为区域s6；s1-s7所在行之间的电芯在一个侧面和顶面与空气对流换热，大面、侧面均与相邻电芯接触换热，底部则与冷板换热，被划分为区域s4；中间其余电芯均仅顶面与空气对流换热，大面侧面与相邻电芯接触，底部与冷板换热，被划分为区域s5；

27、步骤s3中，所构建的散热网络模型，通过将区域内电芯简化等效后，对每个区域按照区域内电芯的换热特征进行考虑。

28、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，步骤s4中，通过如下方式标定温差δt：

29、根据pack仿真模型的热管理策略控制实体液冷板的冷却液流入温度和流速；

30、分别实时检测实心块的温度和实体液冷板对应各实心块位置的温度并上传给pack仿真模型，优选监测各区域的中心位置温度作为相应区域的温度；实体液冷板和实心块处分别具有温度传感器并连接于仿真系统，pack仿真模型将接收到这些对应冷板具体位置和对应实心块的温度数据。

31、pack仿真模型基于实心块的温度和实体液冷板对应位置的温度计算温差δt。

32、将电芯间、电芯与空气、电芯与液冷板之间的换热系数分别定义为a1、a2、a3，散热qo的计算方式如下：qo＝∑an*an*δtn，a为换热面积；n＝1、2、3，表示三种换热方式；δt表示相应换热方式下换热双方之间的温差。

33、电芯与电芯之间的温差，电芯与冷板之间的温差是一个动态的过程，随着冷却工作和电池工作的持续，温度会发生变化，通过实物搭建的模拟液冷pack可以得到这个动态的数据，从而确定不同时间电芯与电芯的温差，电芯与冷板的温差。而电芯与空气之间的温差，严格意义上也是一个动态的过程，但是一个pack中，可以认为空气是不流动的，而空气本身是热的不良导体，电芯温度变化不会很大，在电芯温度变化不大的情况下，空气温度不会有明显变化，本方案为兼顾效率，简化模型，认为空气的温度是不变化的，将空气温度设定为环境温度，故电芯与空气之间的温差就是环境温度与电芯之间的温差，环境温度由传感器测得，或直接采用常温温度25℃。

34、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，a1、a2、a3根据电芯材料，电芯分布方式，电芯之间是否有隔热材质，冷板材料、导热材料等事先确定并被输入至液冷pack仿真模型；

35、换热面积根据实心块各个面的大小事先确定被输入至液冷pack仿真模型；

36、电芯与空气之间的温差根据实心块的温度和环境温度动态确定；

37、电芯与电芯之间的温差根据两个相关实心块的温度动态确定；

38、电芯与液冷板之间的温差根据实心块与相应位置液冷板的区域温度确定。由于整体电芯内的若干电芯处于接近的位置，且具有相同的换热方式，被视为具有相同的散热能力，故可以整体电芯为单位，也就是以实心块为单位输出控温结果，当然也可以将整体电芯拆解，将实心块的温度赋值于区域内各单个电芯，以单个电芯为单位输出控温结果。

39、在上述的液冷储能系统半实物仿真方法中，该方法还包括：

40、使用液冷pack仿真模型筛选至少一个液冷板设计方案和至少一个热管理策略以后，搭建由pack按照实际成组方式构成的簇模型，每个pack对应一个液冷板，簇内每个pack的液冷板依次串联，前一液冷板的输出温度为后一液冷板的输入温度，簇模型仿真模型通过上述的仿真方法获得每个液冷板的输出温度，也即下一液冷板的输入温度，从而获得簇簇级仿真结果，即输出pack的温度，以及pack之间的最大温差等。

41、每个液冷板的输入温度，可以直接用传感器对实物进行测量得到，也可以通过计算得到，还可以通过测量和计算进行双重验证后重新确定。

42、通过对pack进行仿真以后，可以得到pack的温度，以及冷板经过该与pack热交换以后的输出温度。通过对pack模型仿真优选出一种或多种冷板设计结构和热管理策略后，按照实际pack成组方式构成簇，冷板与冷板之间的流速是一样的，可以以pack各自的输入温度和流速来按照同样的方式获取pack的温度，输出仿真控温结果。

43、也就是说，簇内第一个液冷板的输入温度就是热管理控制策略确定的温度，第二个液冷板的输入温度则是由第一液冷板输出的温度，此温度经过与第一个pack的热交换将比热管理控制策略确定的温度要高。此仿真过程可以制作簇级实物模型，用同样的方式进行仿真输出控温结果以在簇级系统下对相应冷板设计方案和热管理策略进行仿真验证。

44、也可以只使用一个pack级实物模型，在对第一个pack得到稳定的输出温度后，将其作为第二个pack，停止冷却液输入，待实心块温度稳定以后，将冷板的输入温度调节为第一个pack的输出温度，用同样的方式得到第二个pack的输出温度，重复前述过程，直到簇内全部pack仿真结束。

45、此外，也可以每次两个pack实物为一组，三个实物为一组等，实物越多，簇级仿真速度越快，但是结构越复杂，反之，实物越少，簇级仿真越慢，而结构越简单，技术人员可以在两者之间找一个平衡，根据实际情况确定实物数量。

46、一种液冷储能系统半实物仿真系统，用于实现上述所述仿真方法，包括电芯一维模型搭建模块、pack模型仿真模块、簇集仿真模块、热管理控制策略模块，电芯一维模型搭建模块用于搭建电芯一维热模型，pack模型仿真模块用于使用电芯一维热模型搭建包括冷板模型的液冷pack仿真模型，簇集仿真模块用于使用pack仿真模型搭建簇级仿真模型，热管理控制策略模块用于输出热管理策略，使模型基于相应的热管理策略进行热管理仿真，输出热管理仿真结果；

47、所述的pack模型仿真模块和热管理控制策略模块均连接于外部液冷pack模拟实物，液冷pack模拟实物包括实体冷板和用于模拟电芯的实心块，实心块按照电芯位置置于实体冷板上，热管理控制策略模块用于输出热管理策略以控制实体冷板冷却液的流入温度和流速，pack模型仿真模块用于从外部液冷pack模拟实物获取实心块与液冷板的温度从而计算散热qo。

48、同样地，系统级由簇构成，按照实际簇成组方式构成系统，但是簇与簇之间的冷板是并联的，所以满足簇集的设计，系统级也满足，故可以不对系统级进行专门的仿真测试，但是在可选方案中也可以对系统级进行仿真，对应地，仿真系统具有系统级仿真模块，用于使用簇级仿真模型搭建系统级仿真模型。

49、本发明的优点在于：

50、1)搭建简化的液冷系统，对系统、冷板降阶建模，以pack级为基础，降低模型复杂度，提高仿真速度；

51、2)只需设计pack，无需在储能系统结构设计完成的基础上进行热仿真计算，简化模型复杂度，同时以pack级进行仿真模拟，能灵活模拟各种复杂工况条件以及极端运行情况，具有高安全性，低成本；

52、3)不同工况输入下，加快仿真速度，缩短产品测试验证时间；

53、4)仿真硬件资源占用减少，节约固定资产投入；

54、5)热管理策略与被控对象电芯为仿真模型，冷板装置为实体装置，并且采用实体模拟的方式标定关键参数输入至仿真模型，进一步简化模型，减少模型计算量，兼顾仿真精度、测试成本和运算速度；

55、6)采用模拟液冷pack装置标定关键参数，保证了仿真精度。