卜凡濤，劉木林，欒敬釗，單 沖，周 帥

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包仿真模型設(shè)計(jì)

卜凡濤1，劉木林1，欒敬釗2，單 沖1，周 帥1

（1.東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽(yáng)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.國(guó)家電網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000）

隨著新能源汽車的普及，各個(gè)整車廠在新能源車型投入的越來(lái)越多，車型也越來(lái)越多，而每個(gè)車型對(duì)應(yīng)的電池包也不同。為了在電池包設(shè)計(jì)前期了解電池的性能，基于Matlab/ Simulink設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力電池包的仿真模型。此仿真模型可以通過(guò)輸入電池參數(shù)仿真出電池的溫度變化曲線、電壓變化曲線以及荷電狀態(tài)變化曲線，通過(guò)輸入繼電器和高壓系統(tǒng)參數(shù)仿真出預(yù)充時(shí)間和高壓輸出變化曲線，通過(guò)導(dǎo)入車輛工況仿真出電池運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)（溫度、電壓、荷電狀態(tài)等）。這些變化曲線對(duì)于電芯的選型以及預(yù)充電阻的選型具有重要的參考價(jià)值。經(jīng)過(guò)仿真后的曲線分析，此模型與電池的電化學(xué)特性相符，高壓變化也符合物理變化特性，可以用作電芯和預(yù)充電阻的選型參考。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；單體電池；單體溫度；單體電壓；仿真模型設(shè)計(jì)；Matlab/Simulink

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不可再生能源的消耗、環(huán)境污染問(wèn)題接踵而至，新能源電動(dòng)汽車已成為全球車企及科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象[1]。其中新能源汽車的動(dòng)力電池包是動(dòng)力源，其包含了多個(gè)單體電池、線束、繼電器和結(jié)構(gòu)件。由于電池包的復(fù)雜性和不一致性，導(dǎo)致每個(gè)電池包的價(jià)格不菲。為了能在節(jié)省開(kāi)發(fā)支出的前提下得到動(dòng)力電池包的特性，需要在設(shè)計(jì)之初就要有動(dòng)力電池包的仿真模型。本文提出了一種基于Matlab/Simulink的仿真設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)本文的仿真方案，可以提前設(shè)計(jì)出預(yù)充電阻選型、繼電器選型、高壓上電時(shí)間。完成設(shè)計(jì)之后還可以驗(yàn)證熱管理參數(shù)、電池特性、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS）策略。

1 功能設(shè)計(jì)

1.1 Matlab/Simulink 仿真系統(tǒng)

Simulink是以Matlab為基礎(chǔ)的可視化建模仿真工具，可對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，包括連續(xù)、離散、單速率、多速率、事件驅(qū)動(dòng)和混合系統(tǒng)等。同時(shí)具有面向不同領(lǐng)域的Simulink模型庫(kù)（Block- sets），包括航空航天庫(kù)、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、機(jī)/電/液物理系統(tǒng)模型。用戶也可構(gòu)建自己的模型庫(kù)，或?qū)⒁延械腗atlab、C/C++、Fortran函數(shù)封裝成Simulink模塊[2]。

1.2 高壓回路

本文采用的電池包高壓回路如圖1所示。

高壓回路包含電池組、預(yù)充電阻、預(yù)充繼電器、主正繼電器、主負(fù)繼電器、電機(jī)電容、電機(jī)主動(dòng)泄放電阻和被動(dòng)泄放電阻。在電池組放電時(shí)，需要先閉合預(yù)充回路（預(yù)充繼電器和主負(fù)繼電器閉合），待電機(jī)電容兩側(cè)的電壓達(dá)到95%的電池組電壓認(rèn)為預(yù)充完成，然后再斷開(kāi)預(yù)充回路，閉合主回路進(jìn)行放電操作。

圖1 電池包高壓回路

1.3 功能模塊

本文主要設(shè)計(jì)如下幾個(gè)功能模塊。

1.3.1電池組模型

（1）根據(jù)電池電流的變化，輸出單體電壓，隨著電池的充放電，電池單體電壓會(huì)跟隨升高或降低。

（2）根據(jù)溫度變化，輸出單體電池的容量，溫度不同時(shí)，電池的容量是不同的，這是電池的特性之一。

（3）根據(jù)電池電流的變化、熱交換因子和外界環(huán)境，輸出電池溫度。隨著電池的充放電，電池自身會(huì)發(fā)熱，而電池包具有熱管理功能，對(duì)電池的熱量進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。綜合考慮各種因素仿真出電池的實(shí)時(shí)溫度。

（4）根據(jù)電池的使用時(shí)間，輸出每個(gè)單體電池的健康狀態(tài)（State of Health, SOH）值；電池SOH與電池使用時(shí)間息息相關(guān)，同時(shí)電池的濫用也會(huì)導(dǎo)致SOH的降低。

（5）根據(jù)電池電流和溫度，輸出單體電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）。電池的SOC是與電池的溫度和充放電相關(guān)的。

（6）加入均衡電阻模型，可實(shí)現(xiàn)均衡仿真，均衡電阻的溫度也可根據(jù)均衡時(shí)間的增加而變化；均衡電阻是BMS的功能，通過(guò)均衡電阻來(lái)使電池組內(nèi)的每個(gè)單體電池的電壓趨于一致性。

1.3.2繼電器模型

（1）可設(shè)置繼電器的動(dòng)作時(shí)間；高壓繼電器的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，一般為30 ms～50 ms，此時(shí)間是策略設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

（2）根據(jù)動(dòng)作電流的變化繼電器的使用壽命降低；高壓繼電器的壽命曲線是與動(dòng)作次數(shù)和濫用次數(shù)相關(guān)的，模型需要能實(shí)時(shí)輸出繼電器的壽命。

（3）隨著動(dòng)作次數(shù)增加，繼電器使用壽命降低。

（4）可設(shè)置繼電器的內(nèi)阻來(lái)仿真“似連非連”的黏連狀態(tài)，此為繼電器的故障模式之一，屬于假性黏連。

（5）可設(shè)置無(wú)法閉合和黏連故障、非預(yù)期切斷的故障模式，此為繼電器的故障模式，需要模型具備仿真功能。

1.3.3電機(jī)模型

（1）可設(shè)置電機(jī)電容參數(shù)，包括容值和時(shí)間。電機(jī)電容是高壓上電的重要參數(shù)之一，其容值和時(shí)間可決定選擇不同的預(yù)充電阻和預(yù)充繼電器。

（2）可設(shè)置被動(dòng)泄放電阻和主動(dòng)泄放電阻阻值。電機(jī)具備主動(dòng)泄放和被動(dòng)泄放電阻，此電阻也是BMS檢測(cè)高壓的重要回路之一。

（3）可自動(dòng)實(shí)施被動(dòng)泄放和主動(dòng)泄放的策略。當(dāng)高壓下電完成后，電機(jī)要進(jìn)行主動(dòng)泄放，

一般在200 ms內(nèi)就會(huì)泄放到安全電壓。當(dāng)主動(dòng)泄放出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)切換到被動(dòng)泄放，泄放時(shí)間較長(zhǎng)。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 電池組模型設(shè)計(jì)

本文的電池組模型采用二階模型，二階模型如圖2所示[3]。

圖2 二階RC模型

其中模型中的參數(shù)獲取途徑有兩個(gè)：電池廠獲取和測(cè)試。本文的參數(shù)獲取是通過(guò)測(cè)試的方法獲取。具體測(cè)試方法在很多文章中都有說(shuō)明，這里不再贅述。

單體電池模型通過(guò)Simulink實(shí)現(xiàn)圖2的電池模型，其中的電池參數(shù)采用查表方式得到，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 單體電池模型

上述模型是一個(gè)單體電池的模型，由于電池組往往是由成百上千個(gè)單體電池組成，在單體電池的外圍模型需要加入串聯(lián)數(shù)，可根據(jù)每個(gè)電池包的需求而設(shè)置。

2.2 繼電器模型

在本文的高壓回路中，采用了2個(gè)主繼電器和1個(gè)預(yù)充繼電器。高壓繼電器的主要功能是電池組高壓的通斷，當(dāng)發(fā)生電池組故障時(shí)通過(guò)斷開(kāi)繼電器來(lái)切斷高壓回路。

繼電器模型實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：（1）高壓回路通斷；（2）繼電器壽命預(yù)測(cè)；（3）繼電器故障診斷。

圖4 繼電器高壓回路通斷模型

圖5 繼電器壽命模型

高壓回路通斷功能需要用到Matlab的Sims- cape功能。模型需要實(shí)現(xiàn)閉合指令發(fā)出后，高壓回路導(dǎo)通；斷開(kāi)指令發(fā)出后，高壓回路斷開(kāi)。模型如圖4所示。

繼電器壽命預(yù)測(cè)模型是利用繼電器的壽命曲線通過(guò)表格的方式實(shí)現(xiàn)歸一化。模型如圖5所示。

繼電器故障診斷模型是實(shí)現(xiàn)繼電器的黏連、非預(yù)期切斷、無(wú)法閉合的故障檢測(cè)。模型如圖6所示。

圖6 繼電器故障診斷模型

2.3 電機(jī)模型

電機(jī)模型實(shí)現(xiàn)的是與電池包相關(guān)的功能：預(yù)充和泄放。預(yù)充的主要作用在于通過(guò)在回路中串電阻的方式對(duì)電容性負(fù)載進(jìn)行充電，避免通過(guò)開(kāi)關(guān)直接閉合回路對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行充電[4]。當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到了電池組電壓的95%認(rèn)為預(yù)充成功；而泄放是當(dāng)切斷繼電器后，由于電機(jī)的電容存在，電容仍有高壓存在，此時(shí)需要用到被動(dòng)或主動(dòng)泄放功能。模型如圖7所示。

圖7 電機(jī)模型

3 仿真

為了驗(yàn)證此模型的功能，本文導(dǎo)入了某個(gè)現(xiàn)有項(xiàng)目的電池參數(shù)和電容參數(shù)。對(duì)于繼電器模型本文只仿真了通斷功能，應(yīng)用到了電機(jī)模型中仿真得出了圖11的預(yù)充曲線。電容為630 μF，電池參數(shù)如表1—表5所示。

表1 歐姆內(nèi)阻阻值 單位：Ω

表2 極化內(nèi)阻阻值 單位：Ω

表3 濃差內(nèi)阻阻值 單位：Ω

表4 極化電容容值 單位：nF

表5 濃差電容容值 單位：nF

本文導(dǎo)入了一個(gè)電流工況，如圖8所示。

得到的最大單體電壓變化，如圖9所示。

從圖中可以看出歐姆內(nèi)阻、極化電容和濃差電容對(duì)電池電壓變化的影響，符合鋰電池的電化學(xué)特性。

最高單體電池溫度如圖10所示。

從圖中看出溫度是跟隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而升高的，但是此溫度只是仿真電池受電流的影響，并未加入電池組結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，這是后期需要優(yōu)化的地方。

圖8 電流工況

圖9 單體電壓變化曲線

圖10 單體溫度變化曲線

高壓回路的預(yù)充曲線如圖11所示。

圖11 預(yù)充曲線

從圖中可以看出外部高壓的變化，由于預(yù)充電容的影響在閉合繼電器的初期是給電容充電，此時(shí)的高壓是在緩慢變化的。當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到電池組總壓的95%時(shí)預(yù)充完成，外部總壓上升到與電池組總壓相同。

4 結(jié)論

電池包仿真模型可以模擬電池電壓和溫度變化，高壓回路電壓的變化，在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)初期可以得到很好的應(yīng)用。

[1] 楊勇,張菁,錢瀟瀟.動(dòng)力電池均衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2019,9(3):216-222.

[2] 馮超.基于Matlab/Simulink的電動(dòng)汽車仿真模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013.

[3] 陸文祺,張成濤,王佳奇,等.基于Simulink的車載電池模型的建模與仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(8): 10-13,24.

[4] 姜點(diǎn)雙,趙久志,王曉鵬.基于Matlab的電動(dòng)汽車預(yù)充電路仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,42(7):7-8,15.

Simulation Model Design of Electric Vehicle Power Battery Pack

BU Fantao1, LIU Mulin1, LUAN Jingzhao2, SHAN Chong1, ZHOU Shuai1

( 1.Neusoft Reach Automotive Technology (Shenyang) Company, Shenyang 110000, China;2.State Grid Dalian Power Supply Company, Dalian 116000, China )

With the increasing popularity of new energy vehicles, various OEMs have invested more and more in new energy car, and there are more and more car models, and the battery packs corresponding to each model are also different. In order to understand the performance of the battery in the early stage of the battery pack design, this paper designs a simulation model of the power battery pack based on Matlab/Simulink. This simulation model can simulate the temperature change curve, voltage change curve and state of charge change curve of the battery by inputting battery parameters, simulate the precharge time and high voltage output change curve by inputting the parameters of the relay and high voltage system, and simulate the battery by importing the vehicle operating conditions. Real-time status of operation (temperature, voltage, state of charge, etc.). These change curves have important reference value for the selection of cells and the selection of pre-charging resistors.After the curve analysis after simulation, this model is consistent with the electrochemical characteristics of the battery, and the high-voltage change is also consistent with the physical change characteristics, which can be used as a reference for the selection of cells and pre-charging resistors.

Electric vehicle;Power battery; Cell battery; Cell battery temperature; Cell battery voltage;Simulation model design;Matlab/Simulink

TM912

A

1671-7988(2022)24-14-09

TM912

A

1671-7988(2022)24-14-09

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.003

卜凡濤（1984—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂疲珽-mail:manjixingkong@163.com。