一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法

本发明涉及新能源汽车电池系统热管理领域，尤其是涉及一种基于模型预测控制和动态规划算法的新能源汽车电池系统宽温域热管理方法。

背景技术：

1、气候变化是全世界关注的重大问题之一。为了减少温室气体排放，交通领域的车辆正在经历新能源转型，电池被大规模使用。电池性能(如效率、容量、寿命和安全性)在很大程度上受到极端温度变化的影响。因此，电池热管理是电池研究领域的一项重要技术。

2、电池制造商建议的理想工作温度范围通常为20-30℃，然而实际环境温度范围是-20-40℃，甚至包括更极端的车辆工作温度范围。目前，通过对电池热管理系统执行器进行合理的控制可以实现电池系统温度的低能耗控制，应用于大型电池组热管理的动态控制算法包括开关式控制、比例-积分-微分(pid)控制和模型预测控制(model predictivecontrol，mpc)。基于开关的控制因其简单可靠而广泛应用于车辆中，但新能源汽车的运行条件是动态的，导致电池充电和放电速率不断变化，其自适应能力差。pid可实现平稳的温度控制，减少温度波动，然而pid通常应用于单个执行器，当涉及多个执行器时缺乏协调。当前基于模型预测控制的方法针对加热或冷却模式，未能考虑更宽的温域，且没有提出有效分析目标温度跟踪权重参数对热管理性能的影响的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术问题，本发明提供了一种基于模型预测控制和动态规划算法的新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，用以解决目前新能源汽车电池系统热管理宽温域条件下自适应协调能力不足的缺陷。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1，构建电池系统的产热模型

5、采用hppc(hybrid pulse power characteristic，混合功率脉冲特性)测试电池内阻，对电池进行充放电测试得到电池的倍率充放电曲线，采用bernardi方程建立电池产热模型，并根据电池系统的内阻特性和倍率充电曲线拟合电池的熵系数曲线，以此作为电池产热学模型，为建立电池的传热学模型提供产热模型基础；

6、步骤2，构建电池系统的传热模型

7、建立电池系统的三维物理模型，输入电池的物理参数(如各向导热系数、热容、冷却液质量等)，采用计算流体动力学分析(cfd)软件分析电池系统的传热性能，得到电池的传热系数和执行器能耗系数，采用集中参数方法建立控制导向的一维传热学模型；

8、步骤3，建立车辆的功率需求模型

9、考虑汽车纵向动力学(包括滚动阻力、风阻、加速阻力、及惯性阻力)、附件能耗等，来模拟电池的功率需求；

10、步骤4，构建模型预测控制(mpc)方法框架，以功率需求模型、产热模型和传热模型作为mpc的预测模型，采用功率需求模型模拟电池的需求功率，作为产热模型的输入计算电池产生的热量，以传热模型来模拟电池的温度变化；以电池系统温度跟踪和执行器能耗作为mpc的代价函数，以动态规划算法作为mpc的求解器，动态滚动优化电池系统热管理控制量。

11、代价函数是热管理系统电池温度跟踪目标和执行能耗加权，动态规划算法先预测系统状态边界，再采用反向计算的方法根据贝尔曼最优性方程计算最优控制序列，用于电池系统热管理控制；

12、步骤5，热管理控制器参数分析与调试

13、采用真实驾驶工况数据，对系统进行仿真，在宽环境温域条件下调试mpc框架中的温度跟踪权重参数和求解器超参数(预测步长和网格划分数)，以实现温度控制和执行器能耗最佳均衡。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

15、一、mpc同时考虑了系统的多个目标、多个约束和扰动，能够有效地控制多输入多输出(mimo)系统，具有很高的鲁棒性和最优性，优于开关式和pid式控制方法，本方法可以针对电池热负荷的动态热管理可防止过度冷却和加热，从而节省能源。

16、二、车辆运行的环境温度包括-20-40℃甚至更极端，本方法是一种在极端温度下既能覆盖冷却又能覆盖加热的控制策略，在广泛的温度域内实现卓越性能。

17、三、采用对数的方式将控制方法中的温度跟踪权重参数划分为多个取值，通过真实驾驶工况数据，在宽环境温域条件下，分析调试mpc的控制策略中的加权参数和求解器超参数(预测步长和网格划分数)，可实现多个电池性能指标(平衡温度控制、能耗等)之间的最佳平衡。

技术特征：

1.一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，其特征在于，步骤1中，bernardi电池产热方程如下：

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，其特征在于，步骤2具体为：

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，其特征在于，步骤3具体为：

5.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，其特征在于，步骤4中，所述模型预测控制mpc方法框架，包括：mpc预测模型、mpc求解器和mpc代价函数；具体如下：

技术总结本发明涉及一种新能源汽车电池系统宽温域热管理方法，该方法包括：建立控制导向的电池系统的产热和传热学非线性系统模型，采用模型预测控制的方法控制电池系统的执行器，在宽环境温域条件下建立电池系统目标温度跟踪和执行器能耗的代价函数，利用动态规划算法求解非线性电池系统温度模型预测控制问题，先计算预测状态边界，再反向计算最优控制序列，使用控制序列的第一个指令作为执行器的控制量，以使电池系统的温度维持在合理的范围的同时节约执行器能耗。与现有技术相比，本发明采用模型预测控制和动态规划算法控制电池系统的热管理执行器，通过代价函数中温度跟踪权重的调试可以在宽温域范围实现电池系统温度的低能耗控制。技术研发人员：郭荣,孙自艺受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29