基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建与仿真分析_周宇昊.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建与仿真分析周宇昊1，徐椤赟1,2，张钟平1，刘灵冲2，南斌2，赵海祺2（1华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027）摘要：在碳达峰碳中和背景下，有效缩短大规模储能电站内部锂电池运行仿真时间、提高仿真结果精度，对提高锂电池CFD(computational fluid dynamics)仿真效率和安全管理水平具有重要的意义。针对现有仿真模型无法支撑锂电池运行状态快速、精确仿真的问题，本文提出一种基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建方法。首先，设计了锂电池数字孪生结构体系并分析了热电耦合模型构建原理；其次，考虑到ANSYS TwinBuilder平台的LTI ROM降阶模型具有计算耗时短、仿真精度高的特点，分析热力学模型和等效电路模型之间的耦合机理，基于ANSYS TwinBuilder建立锂电池热电耦合数字孪生模型；进而，分别采用最小二乘算法和原理分析法对等效电路模型和热力学模型参数进行离线辨识，并考虑老化、温度等因素影响，利用递推最小二乘算法实现对等效电路模型参数的在线辨识；最后，分别在Simulink和ANSYS Icepak中搭建锂电池等效电路模型和热力学模型，将其耦合到ANSYS TwinBuilder平台中，并从多维度进行了算例仿真分析，与实验结果进行对比验证了本文所提模型的高效性和精确度。关键词：锂电池；数字孪生；热电耦合；参数辨识；ANSYS TwinBuilderdoi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0539 中图分类号：TM 912 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-536-08Construction and simulation analysis of thermoelectric coupling model of lithium battery based on digital twinZHOU Yuhao1,X Luoyun1,2,ZHANG Zhongping1,LIU Lingchong2,NAN Bin2,ZHAO Haiqi2(1Huadian Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310030,Zhejiang,China;2College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang,China)Abstract:In the context of carbon peak and carbon neutrality,shortening the operation simulation time and improving the accuracy of simulation results are of great significance for lithium batteries in large-scale energy storage power stations to improve the CFD simulation efficiency and safety management level.Aiming to solve the problem that the existing simulation models cannot support the fast and accurate simulation of their operation states,we propose a method for constructing a thermoelectric coupling model of lithium batteries based on the digital twin.First,the digital twin structure system of lithium batteries is designed and the principle of thermoelectric coupling model construction is analyzed.Second,considering that the LTI reduced-order model of the ANSYS TwinBuilder platform has the characteristics of short calculation time and high simulation accuracy,the coupling mechanism between the thermodynamic model and the equivalent circuit model is analyzed.In addition,a lithium battery thermoelectric coupling digital twin model is established based on the ANSYS TwinBuilder.Further,the parameters of 储能测试与评价收稿日期：2022-09-21；修改稿日期：2022-11-12。第一作者：周宇昊（1983），男，正高级工程师，研究方向为综合能源系统与储能，E-mail：yuhao-；通讯作者：刘灵冲，研究方向为大规模储能系统优化与控制，E-mail：。第 2 期周宇昊等：基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建与仿真分析the equivalent circuit model and thermodynamic model are identified offline by the least-squares algorithm and principle analysis,respectively.Considering the influence of factors such as aging and temperature,the recursive least-squares algorithm is used to identify the parameters of the equivalent circuit model online.Finally,the lithium battery equivalent circuit model and thermodynamic model are built in Simulink and ANSYS Icepak,respectively,and coupled to the ANSYS TwinBuilder platform.Moreover,we perform simulation analysis from multiple dimensions.The results of the comparison between the simulation and experimental values demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed model.Keywords:lithium battery;digital twin;thermoelectric coupling;parameter identification;ANSYS TwinBuilder双碳背景下，传统电力系统正在逐步转变为以新能源为主体的新型电力系统，由于新能源具有随机性大、波动性强等特点，高比例新能源接入电网会对电网稳定性造成影响，大规模储能电站与新能源的协调发展成为推进新型电力系统建设的重要一环。然而全球范围内储能电站安全事故频发，热电工况是影响其安全运行的关键因素，因此研究储能电站内部锂电池热电耦合特性，实现对其运行状态的快速精确刻画，以减小事故发生的概率具有重要价值1-2。许多学者对锂电池热电耦合模型进行了研究，主要分为电化学-热耦合模型3-4和电-热耦合模型两种5-6。对于电化学-热耦合模型，文献7基于准二维机理模型建立了电化学-热耦合模型，用以估计充电过程中电池内核温度随充电电流变化情况。文献8以二维电化学模型为基础对18650型号锂电池生热情况展开研究，结果表明反应热是充电过程中的主要生热来源。文献9通过将锰酸锂电池一维电芯单元电化学-热模型耦合到三维单体方形电池产热模型中，实现了考虑电化学反应的单体锂电池温度场计算。但是电化学模型是通过偏微分方程描述电池内部的电化学过程，微分方程未知变量多且复杂，求解和辨识参数困难，因此电化学-热耦合模型通常应用于电池参数、结构设计仿真等领域，而在工程中应用较少5。对于电-热耦合模型，文献10以有限元为基础建立了储能电池三维分布式模型，将一阶RC电路模型和热模型植入体积微元中实现热电耦合，得到单体电池的电流密度分布和温度分布，但是预测结果精度相对较低。文献11提出了协同热仿真框架，采用Modelica语言建立等效电路模型，考虑温度对等效电路参数的影响，将得到的产热速率，借助Python与在Fluent中建立的热模型实现耦合进行温度场仿真，但是存在CFD仿真时间较长难以实现大规模在线仿真的问题。文献12基于卡尔曼滤波和时变电网络构建电池热力学模型，在线获取电池单元的内部温度，该方法与CFD仿真相比，预测精度相对较低。数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈实时感知系统状态，对数据进行融合分析下发相应决策13。该技术已经逐步应用于航空航天、智能制造等诸多领域，但是目前数字孪生在电池仿真领域多集中于前期理论分析、后续挑战和展望等方面研究，尚属于起步阶段14。杨世春等15围绕数字孪生电池的发展、需求、构建理论、实践、挑战与展望进行了详细的阐述和解释，朱静等16提出一种基于数字孪生的电池系统故障诊断模型，通过检测和评估真实系统与数字孪生系统之间的残差是否超过阈值，实现故障检测与隔离，鲜有数字孪生技术在电池仿真中应用的研究。本文针对现有技术的不足，提出基于数字孪生的锂电池热电耦合模型构建方法，通过构建锂电池热电耦合数字孪生模型，实现对运行状态更精确地刻画。基于LTI ROM对CFD仿真模型降阶处理，在保证模型仿真精度的同时，提高运算效率。并采用递推最小二乘算法，实现对等效电路模型参数在线辨识，提高预测结果准确度。本文首先构建了锂电池数字孪生结构体系，其次搭建了锂电池热电耦合模型，进而对热电耦合模型参数辨识，最后通过实验结果与仿真结果对比验证所提方法的高效性和精确度。5372023 年第 12 卷储能科学与技术1 锂电池数字孪生结构体系构建1.1数字孪生结构体系（1）物理设备层物理设备层是预测系统数字孪生模型的实体基础，主要为锂电池，是构建热电耦合模型的能量源和信息源。物理设备层同时是孪生数据的载体，为数据感知层提供电压、电流、SOC、温度等数据17。（2）数据感知层数据感知层是数字孪生模型数据感知的媒介，主要为电压表、电流表、温度传感器等，用于收集锂电池工作过程中的实时运行数据，驱动数字孪生体系正常运作。（3）数据传输层数据传输层以交换机和以太网为核心，形成高效的网络传输及数据存储系统，实现运行数据与信息的高效传输。（4）数字孪生层数字孪生层是该结构体系的核心，其中数字孪生模型是现实世界实体或系统的数字化表现，可用于预测、优化和控制真实实体或系统。（5）决策处理层决策处理层根据锂电池工作状态信息下达指令到电池管理系统，保证锂电池的正常运行。1.2构建原理基于数字孪生的锂电池热电耦合数字