第一篇 動力電池試驗研究

第二篇 單體電池建模研究

純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動力電池作為動力驅(qū)動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預(yù)防電池組自燃，實現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警，為保障安全贏得時間。

筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計，測試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數(shù)。

圖1 電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

單體電池模型用以模擬電池動力學(xué)特性動態(tài)電池模型，是設(shè)計高效可靠的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）的基礎(chǔ)。鑒于等效電路模型簡單的結(jié)構(gòu)，良好的動態(tài)響應(yīng)特性，以及狀態(tài)空間方程易于求取的優(yōu)點，因此非常廣泛的應(yīng)用于純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究領(lǐng)域中。

不同單體電池模型對比

建立單體電池等效電路模型，將模型與電池辨識參數(shù)進行配比，同時利用辨識工具完成參數(shù)識別，分析電池端電壓在不同工況下的動態(tài)響應(yīng)，并逐步改進電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態(tài)估計（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎(chǔ)。

圖2 不同單體電池模型對比

通用電池參數(shù)確定

參數(shù)確定采用三種不同的電流激勵，第一個是重復(fù)的放電脈沖工步直到電池放電結(jié)束，第二個是重復(fù)的 HPPC 脈沖工步直到電池放電結(jié)束，第三個是改進的 HPPC 脈沖工步，在單個工步中增加不同倍率電流激勵，重復(fù)該脈沖工步直到電池放電結(jié)束。

模型參數(shù)確認(rèn)不能簡單的與辨識工況進行對比，還需要復(fù)雜的運行工況來驗證辨識參數(shù)的精度和可靠性。復(fù)雜的運行工況包括DST工況、NEDC工況和UDDS工況，使用這三種不同工況對比來驗證模型以及參數(shù)辨識的可靠性。

參數(shù)的確定方法：通常采用Simulink庫里的 Simscape 中對應(yīng)的實際物理元件模塊，搭建真實硬件系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，類似與HIL（Hardware in loop），輸入信息為動力電池試驗電流，試驗電壓，SOC數(shù)據(jù)，同時每組輸入10℃、25℃、40℃三種不同溫度下的實驗數(shù)據(jù)，利用實驗電流控制電流源對電池模型進行充放電激勵，利用電壓傳感器采集電池模型的端電壓與電池實驗進行對比。

圖3 通用電池參數(shù)確定方法

通用電池參數(shù)的優(yōu)化改進

如圖4是單個HPPC脈沖響應(yīng)曲線。

圖4 電池HPPC脈沖響應(yīng)圖

根據(jù)電池模型的響應(yīng)曲線我們可以知道，電池模型在大電流下、在充放電末期容易產(chǎn)生較大誤差，對在相同 SOC 時刻，同樣RC參數(shù)的值很難同時滿足不同倍率充放電曲線擬合，且電池內(nèi)阻在充放電時也會有差異，因此建議在調(diào)整SOC索引查找時，0%-10%區(qū)間SOC間隔 0.01，10%-20%、90%-100%區(qū)間SOC間隔 0.05，其他區(qū)間SOC間隔 0.1。

HPPC試驗過程時間大概83000s，每1s都會記錄電壓變化。HPPC中每5% SOC變化，需要靜置1小時，可以考慮刪除1小時的數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

總結(jié)：建立單體電芯模型時，需要選擇準(zhǔn)確的參數(shù)評估模型，我們通過對比不同辨識數(shù)據(jù)對電池模型辨識精度的影響，在考慮精度與復(fù)雜度的情況下，分析二階RC模型的外特性曲線，可以為后續(xù)的工程技術(shù)人員提出兩點優(yōu)化建議：

① 合理設(shè)置SOC的間隔，尤其在SOC較低和較高的區(qū)間內(nèi)。

② 分析實驗數(shù)據(jù)時，簡化數(shù)據(jù)量提高準(zhǔn)確率。