本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)，具體而言，尤其涉及一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、鋰電池由于其能量密度大、循環(huán)壽命長、成本相對(duì)小等優(yōu)點(diǎn)已成為電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶等設(shè)備的首選核心動(dòng)力單元。然而鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間較窄(20～35℃)，如此緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在鋰電池充放電連續(xù)產(chǎn)熱的情況下，極易引發(fā)電池模塊內(nèi)部過熱、溫度不一致等熱失控風(fēng)險(xiǎn)。鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery?thermal?management?system,btms)是一個(gè)利用特定散熱和溫度控制策略來確保鋰電池組處于最佳熱狀態(tài)的復(fù)雜集成系統(tǒng)，涉及如熱力學(xué)(電池單元與冷卻介質(zhì)之間的熱傳遞)、流體動(dòng)力學(xué)(冷卻介質(zhì)與冷卻通道的相互作用)、結(jié)構(gòu)學(xué)等，這就給btms的熱管理性能提升提出了挑戰(zhàn)。

2、針對(duì)btms的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法一般采用“學(xué)科孤島”的方式進(jìn)行，在缺乏高精度系統(tǒng)模型的同時(shí)忽略了不同學(xué)科間的復(fù)雜耦合作用，造成系統(tǒng)多學(xué)科變量不匹配，導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)綜合作業(yè)性能變差。而數(shù)字孿生(digital?twin)是一種能夠?qū)崟r(shí)、精確實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與虛擬世界交互融合的數(shù)字化技術(shù)，任何可以從真實(shí)物理系統(tǒng)中獲得的信息都可以從其對(duì)應(yīng)的孿生數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)、精確地獲取，因此數(shù)字孿生技術(shù)為復(fù)雜系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(multidisciplinary?design?optimization，mdo)提供了潛在的解決方案。

3、但是，數(shù)字孿生技術(shù)當(dāng)前主要應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)、故障預(yù)警等方面，并未應(yīng)用于復(fù)雜耦合系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中。究其原因，一方面當(dāng)前的數(shù)字孿生技術(shù)缺乏面向物理系統(tǒng)潛在結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力，另一方面當(dāng)前的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)方法缺乏面向數(shù)字孿生模型的有效求解框架。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery?thermal?management?system,btms)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(multidisciplinary?design?optimization，mdo)方法。本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前的數(shù)字孿生技術(shù)缺乏面向物理系統(tǒng)潛在結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)能力的缺點(diǎn)，提出一種面向可變結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量分區(qū)間固定化方法；針對(duì)當(dāng)前的mdo方法缺乏面向數(shù)字孿生模型的有效求解框架問題，提出一種基于數(shù)字孿生模型的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架。通過本發(fā)明提出的基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池btms多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，可以高精確地從全局角度尋得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，有效提高了鋰電池btms熱管理性能，延長鋰電池工作壽命。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包括：

4、s1、利用多學(xué)科層次解耦方法對(duì)btms進(jìn)行多學(xué)科分解，確定影響btms性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量；；

5、s2、基于確定的btms關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建btms結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型集合；

6、s3、依托構(gòu)建的btms結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型集合，進(jìn)行多學(xué)科分析確保多學(xué)科耦合變量滿足變量之間的多學(xué)科耦合關(guān)系，確保取值的跨學(xué)科一致性；

7、s4、如果不滿足多學(xué)科一致性要求，則返回步驟s3進(jìn)行下一循環(huán)的多學(xué)科分析迭代計(jì)算；如果滿足一致性要求，則利用優(yōu)化器對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解；

8、s5、如果優(yōu)化求解迭代過程收斂，則獲得多學(xué)科設(shè)計(jì)最優(yōu)解；如果優(yōu)化求解迭代過程不收斂，則返回執(zhí)行步驟s1更新設(shè)計(jì)變量，直至獲得多學(xué)科設(shè)計(jì)最優(yōu)解。

9、進(jìn)一步地，步驟s1，具體包括：

10、s11、采用多學(xué)科層次分解法將btms分為三個(gè)核心子系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、電池單元和電池模塊，每一子系統(tǒng)從屬于不同的學(xué)科；電池壽命為判定電池性能的關(guān)鍵性能指標(biāo)，在btms的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中將電池壽命處理成一個(gè)重要的虛擬子系統(tǒng)(子學(xué)科)，協(xié)同以上btms所包含的多個(gè)學(xué)科，實(shí)現(xiàn)鋰電池btms的最佳熱管理性能；

11、s12、基于熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)原理，確定冷卻空氣質(zhì)量流量電池單元表面面熱通量以及電池單元間距b作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量為：

12、

13、進(jìn)一步地，步驟s2，具體包括：

14、s21、采用面向可變結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量分區(qū)間固定化方法，劃分btms流體域網(wǎng)格；

15、s22、建立btms計(jì)算流體力學(xué)模型；

16、s23、構(gòu)建btms數(shù)字孿生模型。

17、進(jìn)一步地，步驟s21，具體包括：

18、s211、針對(duì)優(yōu)化過程中需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，或者系統(tǒng)自身發(fā)生尺寸變化的結(jié)構(gòu)，對(duì)每一個(gè)變化的結(jié)構(gòu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理成一個(gè)單獨(dú)分區(qū)；對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)分區(qū)，均勻劃分固定數(shù)量的網(wǎng)格，從而將每個(gè)結(jié)構(gòu)分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)順序確定；

19、s212、在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，每一次仿真計(jì)算分析可變結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，但是每一個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)間內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量與排序保持不變，只變化網(wǎng)格自身大?。换诖?，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，所有可變結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)順序保持統(tǒng)一，因此，將仿真計(jì)算獲得的系統(tǒng)性能指標(biāo)向量聯(lián)合節(jié)點(diǎn)順序數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建后續(xù)的可變結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生模型；

20、s213、對(duì)于鋰電池btms，將電池單元間距視為待設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將每個(gè)電池單元間距處理成單獨(dú)的結(jié)構(gòu)分區(qū)，在每一個(gè)電池單元間距結(jié)構(gòu)分區(qū)內(nèi)，固定電池單元間距橫豎兩方向的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)變化過程不發(fā)生改變，而只是網(wǎng)格尺寸發(fā)生改變。

21、進(jìn)一步地，步驟s22，具體包括：

22、s221、根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定冷卻空氣溫度為室溫；

23、s222、基于熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，選擇冷卻空氣質(zhì)量流量電池單元表面熱通量以及電池單元間距b作為孿生模型的輸入；

24、s223、確定btms進(jìn)出口壓降δp、btms內(nèi)部最大溫差δt和btms整體平均溫度ta作為三個(gè)btms性能指標(biāo)；

25、s224、在計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算過程中，考慮熱傳遞過程，采用k-ξ湍流模型和simplec方法進(jìn)行求解，采用二階迎風(fēng)算法來處理壓力、密度和動(dòng)量方程；通過計(jì)算得到btms整體的壓強(qiáng)和溫度分布，即可以精確地捕捉到btms內(nèi)每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的熱狀態(tài)。

26、進(jìn)一步地，步驟s23，具體包括：

27、s231、采用k最近鄰算法來實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的特征映射，進(jìn)而基于節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立btms整體流體域的工作溫度分布模型，實(shí)現(xiàn)btms數(shù)字孿生體與物理模型的事實(shí)映射關(guān)系；

28、s232、在真實(shí)物理模型設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集真實(shí)物理模型的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；

29、s233、將采集到的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，并通過通訊系統(tǒng)反饋于數(shù)字孿生體，進(jìn)而利用unity實(shí)現(xiàn)鋰電池btms工作性能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化，完成鋰電池btms數(shù)字孿生模型的構(gòu)建；

30、s234、采用平均絕對(duì)誤差、復(fù)相關(guān)系數(shù)指標(biāo)對(duì)所構(gòu)建的btms數(shù)字孿生模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，平均絕對(duì)誤差值集中在0.2以下、復(fù)相關(guān)系數(shù)值主要集中在0.94到0.98之間，表明所建立的鋰電池btms熱性能數(shù)字孿生模型精度滿足要求。

31、進(jìn)一步地，步驟s4中，如果滿足一致性要求，則利用優(yōu)化器對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，具體包括：

32、s41、確定優(yōu)化目標(biāo)：通過分析影響鋰電池性能與壽命的因素，確定最小化冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口壓強(qiáng)δp、最小化最大溫差δt和最小化整體溫度ta三個(gè)btms熱管理性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，并將最大化鋰電池壽命確定為mdo優(yōu)化目標(biāo)之一；將最小化風(fēng)扇實(shí)時(shí)最大功率作為mdo的優(yōu)化目標(biāo)之一，將最小化btms安裝體積處理成mdo模型的優(yōu)化目標(biāo)之一；

33、s42、將多目標(biāo)優(yōu)化問題通過將幾個(gè)單目標(biāo)相乘的方式轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)優(yōu)化問題，并在過程中對(duì)每個(gè)目標(biāo)根據(jù)專家參數(shù)分配不同的權(quán)重；另外，在mdo過程中，目標(biāo)和約束可以相互轉(zhuǎn)換，一個(gè)子系統(tǒng)中的優(yōu)化目標(biāo)可以用作另一個(gè)子系統(tǒng)中的約束，因此將進(jìn)出口壓強(qiáng)δp與鋰電池模塊內(nèi)部平均溫度ta處理成mdo約束，則構(gòu)建面向btms熱管理性能所構(gòu)建的mdo目標(biāo)函數(shù)，如下：

34、

35、其中，λi為單目標(biāo)權(quán)重；

36、s43、根據(jù)不同學(xué)科對(duì)物理結(jié)構(gòu)和性能的要求，涉及流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)，最終確定面向btms的mdo約束為：

37、

38、s44、電池同時(shí)為冷卻風(fēng)扇和車輛提供電力，因此，將電池單元的發(fā)熱分為兩部分，如下：

39、

40、式中，ξ表示產(chǎn)熱系數(shù)；η表示風(fēng)扇發(fā)熱的比例系數(shù)；a表示電池單元的表面積；ρ表示空氣密度；

41、s45、結(jié)合上述步驟s41至步驟s44，構(gòu)建btms熱管理性能的mdo模型，如下：

42、

43、式中，fg(·)表示btms數(shù)字孿生模型。

44、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

45、1、本發(fā)明提供的一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，提出一種面向可變結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量分區(qū)間固定化方法，解決了當(dāng)前的數(shù)字孿生技術(shù)缺乏面向物理系統(tǒng)潛在結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)能力的問題。

46、2、本發(fā)明提供的一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，提出一種基于數(shù)字孿生模型的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架，解決了當(dāng)前的mdo方法缺乏面向數(shù)字孿生模型的有效求解框架問題。

47、3、本發(fā)明提供的一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，可以高精確地從全局角度尋得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，有效提高了鋰電池btms熱管理性能，延長鋰電池工作壽命。

48、4、本發(fā)明提供的一種基于結(jié)構(gòu)自適應(yīng)數(shù)字孿生模型的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，可以為一類復(fù)雜耦合系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，以提升系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性與安全性。

49、基于上述理由本發(fā)明可在電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛推廣。