使用Simscape Battery和About:Energy實現(xiàn)電池快速充電

• 帶電解質(zhì)的熱單粒子模型 (TSPMe)，可用于獲取內(nèi)部電化學(xué)狀態(tài)或執(zhí)行快速充電控制等任務(wù)所需的變量。
• 專為快速充電而參數(shù)化的等效電路模型 (ECM)，一旦擴(kuò)展到模塊或電池組級別，就能提供相對較快的計算時間。

 run("CellModelParameters.mlx") % Load cell ECM parameters (e.g., capacity, energy)

import simscape.battery.builder.* % Import battery builder package


battCell = Cell(Geometry = CylindricalGeometry(... 
    'Height',simscape.Value(cellData.cellHeight,'m'),... 
    'Radius',simscape.Value(cellData.cellRadius,'m')), ... 
    Capacity = simscape.Value(cellData.cellCapacity,"A*hr"), ... 
    Energy = simscape.Value(cellData.cellNominalEnergy,"W*hr")); % Cell object 

 battCell.CellModelOptions.CellModelBlockPath = "AE_Mathworks_lib/AE_mathworks_ECM";
disp(battCell.CellModelOptions)


CellModelBlock with properties:


CellModelBlockPath: "AE_Mathworks_lib/AE)_mathworks_ECM"
    BlockParameters: [1x1 struct]

battPSet = ParallelAssembly(Cell = battCell, NumParallelCells = 36,...
    Rows = 9, ModelResolution="Detailed",...
    NonCellResistance = "on",...
    AmbientThermalPath="CellBasedThermalResistance", ...
    CoolantThermalPath="CellBasedThermalResistance",...
    CoolingPlate="Bottom"); % Parallel assembly object


battModule = Module(ParallelAssembly = battPSet, NumSeriesAssemblies = 6,...
    NonCellResistance = "on",...
    ModelResolution="Grouped",...
    SeriesGrouping = [1,4,1],...
    ParallelGrouping = [36,1,36],...
    AmbientThermalPath="CellBasedThermalResistance", ...
    CoolantThermalPath="CellBasedThermalResistance",...
    CoolingPlate="Bottom"); % Module object

電池可視化代碼	電池模型創(chuàng)建代碼
f = uifigure(Color="w"); BatteryChart(Battery=battPSet);	buildBattery(battPSet, Library= "detailedPSet",... MaskParameters = "VariableNamesByType");
f = uifigure(Color="w"); BatteryChart(Battery=battModule);	buildBattery(battModule, Library= "groupedModule",... MaskParameters = "VariableNamesByType");

多變的	描述和代碼
陽極電位	我們將使用負(fù)極相對于 Li/Li+ 參比電極的靜電勢作為鋰沉積風(fēng)險增加和加速降解的指標(biāo)。在充電過程中，由于電池內(nèi)部發(fā)生的質(zhì)量傳輸和化學(xué)反應(yīng)過程，該電位會下降。為了降低鋰鍍層的風(fēng)險，該電位不得低于 0 V 太多。在此示例中，該電位閾值將任意設(shè)置為 50 mV。 AnodePotentialThreshold = 0.05; % Unit:V
電池溫度	電池溫度必須保持在其運行極限以下，以限制性能下降并降低熱失控風(fēng)險。 TemperatureThreshold = 55 + 273.15; % Unit:K
初始電池溫度	溫度越高，電流就越大。如果達(dá)到最高工作溫度，這將導(dǎo)致控制系統(tǒng)降低電流并延長充電時間。較低的初始溫度可提供更多的溫度增量來抑制高熱量的產(chǎn)生，但較低的溫度也會限制最大電流。因此，存在一個最佳初始溫度，可以通過模擬或物理測試找到它。 InitialCellTemperature = 35 + 273.15; % Unit:K
熱管理邊界條件	在此示例中，我們考慮將“底部冷卻”電池電芯封裝到冷卻板上，如下圖所示。我們假設(shè)從電池底面到冷卻通道中的大量冷卻劑的熱阻恒定為 5 K/W。 CellThermalPathResistance = 5; % Unit:K/W
電池端電壓	在充電過程中，電池電壓會增加。為防止出現(xiàn)過壓或過充情況，電池電壓不能超過電池供應(yīng)商規(guī)定的最大值。 MaximumBatteryVoltage = 4.2; % Unit:V
電池充滿電	在充電階段結(jié)束時，端電壓上升至最大值。為了確保最佳快速充電并避免過度充電情況，必須以恒定電壓步驟 (CV) 降低電流。在本文中，一旦電流值降至額定電池容量的 1/10 以下，即達(dá)到完全充電 (100％ SOC)狀態(tài)。 FullyChargedCurrentThreshold = cellData.cellCapacity/10; % Unit:A
最大充電電流	該值應(yīng)由電池制造商針對一組特定條件（SOC、SOH、溫度）指定。一般來說，電池可以在短時間內(nèi)接受較大的充電電流，在較長時間內(nèi)接受較小的充電電流。 MaximumChargeCurrent = 30; % @ 0% SOC, instantaneous limit, Unit:A

• 在 0% SOC 和選定的初始溫度下以供應(yīng)商允許的最快速度對電池進(jìn)行充電。
• 如果陽極電位達(dá)到其指定的閾值，則降低電流。
• 如果電池電芯上的最熱點達(dá)到最高工作溫度，則降低額定值。
• 如果端電壓達(dá)到最大電壓限制，則降低額定值以防止過度充電。
• 如果有必要，可以根據(jù)其他狀態(tài)添加其他降額條件，例如電解液中的鋰濃度。
• 一旦恒定電壓階躍達(dá)到 C/10，充電就會停止。
• 將最終傳輸?shù)碾娏?a target="_blank">信號存儲為最終的快速充電電流曲線。

cellSimulation = sim("CellLevelFastCharge.slx","StartTime","0","StopTime","3600");
run("PlotCellSimulation.mlx");

InitialCellTemperatureVector = [5,15,25,35,45,50] + 273.15; % Unit: K
InitialSOCVector = [0,0.05,0.1,0.2,0.5,0.6,0.8,0.95]; % Unit: -


for initTempIdx = 1:numel(InitialCellTemperatureVector)
    for initSOCIdx = 1:numel(InitialSOCVector)
        InitialCellTemperature = InitialCellTemperatureVector(initTempIdx);
        InitialSOC = InitialSOCVector(initSOCIdx);
        cellSimulations(initTempIdx).SOCPoint(initSOCIdx).Data = sim("CellLevelFastChargeLimitsStateFlow.slx","StartTime","0","StopTime","60");
        cellCurrentLimit(initTempIdx,initSOCIdx) = cellSimulations(initTempIdx).SOCPoint(initSOCIdx).Data.simout.Data(end);
        save cellCurrentLimit
    end
end


newCellCurrentLimit = [cellCurrentLimit, zeros(1,numel(cellCurrentLimit(:,1)))'];


figure("Color","w")
[xq,yq]= meshgrid([550]+273.15, 01);
vq = griddata(InitialCellTemperatureVector,[InitialSOCVector,1],newCellCurrentLimit',xq,yq);
mesh(xq,yq,vq)
xlabel('Temperature (°C)')
ylabel('State of Charge (-)')
zlabel('Current Limit (A)')
view([-53.55])

 run("parallelAssemblyProfile.m")

ParallelAssembly1.CoolantResistance = 14 + (30-14)*rand(36,1)'; % Cell level coolant thermal path resistance, K/W

• 電池制造過程中電池間內(nèi)阻和容量的變化。
• 如果設(shè)計不當(dāng)，集電板設(shè)計可能會導(dǎo)致輕微的電流不平衡。
• 到環(huán)境的熱路徑不同（這些動態(tài)通常較慢）。
• 冷卻液控制：通常情況下，電動汽車會配備固定的冷卻器或冷卻能力（例如 5 千瓦），用于從電池系統(tǒng)（和其他組件）中去除熱量。實際的冷卻液控制也會對電池快速充電時間產(chǎn)生重要影響。

run("detailedPSet_param.m");
set_param("ParallelAssemblyLevelFastCharge","SimscapeLogType",'all')
pSetSimulation = sim("ParallelAssemblyLevelFastCharge.slx","StartTime","0","StopTime","5200");
run("PlotParallelAssemblySimulation.mlx"); % Plot results

pSetSimLog = BatterySimulationLog( battPSet, pSetSimulation.simlog.ParallelAssembly1);
pSetSimLog.SelectedVariableUnit = "degC";
f = uifigure("Color","w");
g = uigridlayout(f, [1,1]);
parallelAssemblyChart = BatterySimulationChart(Parent = g, ...
    BatterySimulationLog = pSetSimLog);
parallelAssemblyChartColorBar = colorbar(parallelAssemblyChart);
ylabel( parallelAssemblyChartColorBar, strcat("Cell temperature", " (", pSetSimLog.SelectedVariableUnit,")") ,'FontSize',14 );
parallelAssemblyChartColorBar = colormap(parallelAssemblyChart);

• 自定義電芯模型不能有名為 power_dissipated 的變量。
• 如果需要熱效應(yīng)，模型必須至少有一個類型為“熱域”的端口或節(jié)點。
• 如果一個關(guān)鍵的電芯模型模塊變量需要在 Simulink 畫布中可見（例如，使用 Probe 模塊），那么這個變量的 ExternalAccess 必須設(shè)置為公共，并且沒有任何限制。否則，該變量將僅在后處理的模擬日志中可見。

模型	結(jié)果/動態(tài)電池圖表
	0-80%：25 分鐘 0-100%：44 分鐘
	0-80%：27 分鐘 0-100%：46 分鐘

batteries = ["Cell","Parallel Assembly","Module", "Pack"];
batteries0To80ChargeTimes = [ChargeTime0To80 pSetChargeTime0To80  moduleChargeTime0To80 packChargeTime0To80];
batteries0To100ChargeTimes = [ChargeTime0To100 pSetChargeTime0To100  moduleChargeTime0To100 packChargeTime0To100];
figure("Color","w")
subplot(1,2,1)
bar(batteries,batteries0To80ChargeTimes)
ylabel("0 to 80% SOC Charge Time (min)")
grid on
subplot(1,2,2)
bar(batteries,batteries0To100ChargeTimes)
ylabel("0 to 100% SOC Charge Time (min)")
grid on