基于Simscape Battery模型的電池系統(tǒng)建模與仿真

作者：楊興，MathWorks 中國

MathWorks 中國高級(jí)應(yīng)用工程師，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，并獲機(jī)械電子工程碩士學(xué)位。2012 年加入 MathWorks，主要負(fù)責(zé)虛擬車輛仿真解決方案，涉及機(jī)、電、液等領(lǐng)域，支持客戶包括整車動(dòng)力學(xué)仿真、電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)仿真等項(xiàng)目。加入 MathWorks 之前，曾任職于斯倫貝謝任現(xiàn)場工程師。

電池以及儲(chǔ)能系統(tǒng)

Simscape Battery? 以模塊庫和 API的方式幫助我們對(duì)電池以及儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模。我們可以用它來實(shí)現(xiàn)電芯電熱耦合模型、配置和測試電池架構(gòu)、設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)，繼而評(píng)估電池系統(tǒng)在正常和極端條件下的行為。

評(píng)估電池包架構(gòu)是否滿足電-熱需求

我們可以很方便的將具有空間幾何結(jié)構(gòu)的電芯組裝成一個(gè)電池包，組裝過程可以由內(nèi)置的 APP工具可視化方式完成，當(dāng)然也提供了相應(yīng)的 API 方便電池包設(shè)計(jì)自動(dòng)化調(diào)整與模型重建。電芯電-熱本體模型為單質(zhì)點(diǎn)模型，而電池包結(jié)構(gòu)體現(xiàn)實(shí)際的空間尺寸且可以包括冷卻板連接端口，更直觀的計(jì)算電芯之間以及電芯和環(huán)境之間的傳熱，以便后續(xù)評(píng)估電池包架構(gòu)是否滿足電和熱需求。

驗(yàn)證電池充、放電以及熱管理算法的魯棒性

我們可以選配電芯本體所希望包含的物理特性(電-熱-老化)，以及電池包的電芯之間熱交互，設(shè)置合適的參數(shù)后就可以進(jìn)行仿真分析。此外，Simscape Battery 還提供了 SOC、SOH 估算模塊等基本BMS單元，也可以將電池模型與 Simulink/ Stateflow 控制算法集成，實(shí)現(xiàn)在單一建模環(huán)境中模擬整個(gè)系統(tǒng)，加速設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)性能等任務(wù)。

通過硬件在環(huán)(HIL)測試確認(rèn)算法

Simscape Battery 模型同樣可以轉(zhuǎn)換為 C 代碼，支持嵌入式軟件的測試，比如處理器在環(huán) (PIL)和硬件在環(huán)測試（HIL），比在硬件原型上直接測試要安全得多，也更高效。

我們還可以結(jié)合 Simscape 其它的專業(yè)工具箱，將電氣、液壓、氣動(dòng)等其他系統(tǒng)集成到我們的電池系統(tǒng)模型里以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的分析和控制。

應(yīng)用場合舉例

純電車

純電車熱管理包括電驅(qū)及其冷卻、車輛暖通空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)然還包括電池及其冷卻系統(tǒng)。下圖為熱管理模型部分截圖。

Simscape Battery 可以幫助我們處理電池部分:

設(shè)計(jì)滿足續(xù)航里程的電芯以及電池包

權(quán)衡電熱約束，對(duì)比不同的電池包架構(gòu)方案

開發(fā) BMS 算法以改進(jìn) SOC/SOH 估算

開發(fā)快充算法盡量降低對(duì)電芯的損耗

微電網(wǎng)

微電網(wǎng)通常包括光伏系統(tǒng)、變換器、控制器以及用于儲(chǔ)能的電池系統(tǒng)。

Simscape Battery 可幫助我們:

確定能提供目標(biāo)儲(chǔ)能能力的電池組方案

開發(fā)能量管理算法以實(shí)現(xiàn)削峰填谷以降低運(yùn)營成本

確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (Battery energy storage system, BESS) 能工作在預(yù)期溫度范圍

通過故障場景測試提高電網(wǎng)可靠性

Simscape Battery 關(guān)鍵特性

提供Battery Builder工具(以MATLAB API 與 App的形式)

界面操作或者調(diào)用API自動(dòng)將電芯模型組裝為電池包

可定義電芯之間的電-熱聯(lián)結(jié)關(guān)系 (串并聯(lián))

可調(diào)整電池包計(jì)算顆粒度以權(quán)衡仿真速度與精度

冷卻板模塊庫

包括邊沿水道(edge), 平行水道(parallel channel) ,以及U型水道 (U-shaped channel)

電池管理算法模塊庫

包括 充/放電、SOC、SOH、電芯平衡、熱管理以及電池保護(hù)等模塊單元

支持 C 代碼生成

主要內(nèi)容

結(jié)果顯示

Battery 工具箱24a有一個(gè)有意思的新功能，它可以將各個(gè)電芯的仿真結(jié)果結(jié)合電池包架構(gòu)動(dòng)態(tài)顯示出來，比如電流、溫度、SOC 等等。

如下圖，還可以通過播放器反復(fù)回放，并支持導(dǎo)出為視頻文件。

建模

繼初版的 Table-Based 電芯模型之后，過去一年更新的兩個(gè)版本又增加了兩個(gè)新的電芯模型，具體如下表。比較有意思的是，表格里的單粒子電化學(xué)模型 (Single Particle)提供了源碼，可以基于此修改為自己的電化學(xué)模型。

R2023b 新加入的 Equivalent Circuit 增加了兩個(gè)有意思的功能：遲滯以及故障注入，我們也提供了相關(guān)的案例來解釋這兩個(gè)功能：

Table Based 和 Equivalent Circuit 都是等效電路模型，且提供了若干家電池供應(yīng)商的電芯數(shù)據(jù)庫。當(dāng)然，我們可以結(jié)合 MATLAB 優(yōu)化功能來標(biāo)定電芯/電池包參數(shù)。

我們可以通過電芯模塊界面選配電芯行為模型，包括自放電、充放電動(dòng)態(tài)響應(yīng)、循環(huán)老化、日歷老化。

我們根據(jù)需要選擇合適的，當(dāng)然也可以構(gòu)造自己的電芯模型，如下圖為 Simscape 源碼基礎(chǔ)框架。

前述的電芯等效電路模型的參數(shù)可以是溫度耦合的，這就意味著模型里將會(huì)計(jì)算電芯溫度。溫度計(jì)算不僅涉及到電芯本體發(fā)熱，還涉及到環(huán)境散熱以及電芯之間的傳熱。

因此實(shí)際上 Simscape Battery 的電芯模型是具有空間幾何結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼤?huì)影響到散熱邊界的計(jì)算。

使用 APP 組裝電池包時(shí)，我們可以直接選擇電芯模塊庫也可以選擇自定義的電芯模型，設(shè)置電芯尺寸，串并聯(lián)方式以及空間組裝方式，構(gòu)造完成后可自動(dòng)導(dǎo)出模塊庫文件。

我們可以調(diào)整電池包計(jì)算顆粒度來權(quán)衡精度和速度。

電池包可以細(xì)化到每一個(gè)電芯單獨(dú)計(jì)算，以研究電芯參數(shù)不一致性以及初始狀態(tài)不一致性對(duì)電池包整體性能的影響，并驗(yàn)證相關(guān)的均衡控制算法。

當(dāng)然，在一些場合比如整車環(huán)境下，我們僅僅將電池包作為一個(gè)動(dòng)力源看待時(shí)，著重于設(shè)計(jì)電池包串并聯(lián)數(shù)目以滿足續(xù)航里程時(shí)，因此也可以將電池包整體或者電池包非關(guān)鍵區(qū)域作為一個(gè)平均模型對(duì)待計(jì)算，以提高系統(tǒng)優(yōu)化效率。

冷卻

Simscape Battery 電池包模型的電芯之間可互相傳熱，也會(huì)與外界傳熱。這里的外界除了環(huán)境之外，還包括冷卻系統(tǒng)。

Battery 庫提供了冷卻板模塊用于模擬電池與冷卻液之間的散熱，結(jié)合Simscape Fluids 等其它工具箱可以實(shí)現(xiàn)完整的冷卻回路。

模塊庫里提供了不同的冷卻板拓?fù)?/strong>，目前包括下圖三種：Edge, parallel channel, U-shaped channel。