[发明专利]一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法

说明书

本发明涉及一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法，步骤包括：基于电、热、流多物理场耦合退化模型，通过开展电源系统流体仿真分析，计算各子系统及单体电池表面等效对流换热系数；确定电池温度、容量退化和内阻参数，通过串并联电路仿真计算各单体电池工作电流，利用产热模型计算电池产热率，并分别开展各子系统及电池单体的传热仿真，将获得的工作电流和温度作为输入，分析各子系统及电池单体的退化情况。该方法对能够在保证精度的前提下实现高效地多物理场耦合退化仿真分析与可靠性评估。

所属技术领域

本发明涉及电源可靠性技术领域，特别是一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法。

背景技术

电源系统是由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备等和相关的配电线路组成的总体，它为各种电机提供各种高、低频交、直流电源，维护电机系统的平稳运行。其各个子系统由于环境应力的作用，在使用过程中会出现退化现象，这将直接影响到电源系统的可靠性，进而影响着系统的任务可靠性。针对电源系统开展可靠性仿真分析，能够及时发现设计中存在的可靠性薄弱环节和设计缺陷，指明潜在故障发生的位置和原因，进而指导设计改进，从根本上提高电源系统的可靠性水平，具有重要意义。

电源系统可靠性仿真分析是在设计阶段，利用CAE等计算机仿真技术和手段，对影响锂电源系统可靠性的主要环境因素(温度、电流等)进行综合分析，同时结合退化机理模型等故障物理方法对电源系统的寿命及可靠性进行评价。例如，电源系统中蓄电池组是一个复杂的电化学系统，其可靠性受电、热、流等多物理场耦合作用影响。为了准确开展电源系统可靠性仿真分析，通常采用多物理场耦合仿真的方法。用于描述电源系统的多物理场特征的模型主要有等效电路模型、电化学模型、串并联电路、热模型、流体动力学模型等，这些模型与退化模型耦合形成的多物理场耦合退化模型可以充分量化各物理要素及其耦合影响，能够较为准确地描述电源系统运行过程中的物理化学与退化过程。可以为电源系统可靠性评估提供准确地载荷应力与响应的输入。在可靠性评估中，需要充分考虑电源系统中电池自身性能、连接条件、运行环境等内外因素的随机不确定性及其影响。现有可靠性仿真分析方法是通过不同的抽样方法对随机变量进行抽样确定多组仿真方案及参数，这将涉及大量次数的多物理场耦合仿真分析。然而，鉴于多物理场耦合退化仿真模型的复杂性，其计算成本较高，大量的仿真分析在时间和经济性上是无法接受的。

鉴于此，为了解决电源系统可靠性仿真分析的效率问题，有必要给出一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决电源系统可靠性仿真分析技术存在的问题，提出一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法。该方法基于电源系统电、热、流多物理场耦合退化模型，建立降阶模型，主要包含以下步骤：

步骤1：构建面向可靠性仿真分析的电源系统电、热、流多物理场耦合退化模型。通过测量和统计方法，对不同温度与不同退化状态下的电源系统中电池单体内阻进行测量，并获得与温度和容量退化相关的电池内阻模型参数。根据电源系统设计方案，构建3D几何模型，分析其电、热、流多物理场特征及其耦合退化机制，建立电源系统多物理场耦合退化模型，包括与温度相关的电池内阻模型、电池组串并联电路模型、电池产热模型、传热模型、流体动力学模型、与温度和电流相关的退化模型。

步骤2：输入电源系统工作载荷。确定电源系统的工作总电流与环境温度，并以此作为初始值输入模型。

步骤3：开展电源系统内部流体仿真分析。基于电源系统几何模型和各子系统(部件)的排列布局，考虑到气温条件下电源系统工作温升对于流场影响较小，开展步骤2输入的环境温度下的流体仿真分析，获得流场速度分布。

步骤4：子系统及单体电池表面等效对流换热系数计算。基于步骤2中的流场速度分布，获得各子系统及单体电池表面的平均流体速度，利用雷诺数、努塞尔数的工程经验公式计算表面等效对流换热系数。