電池系統建模的案例
讀者投稿｜純電動汽車動力電池管理系統五部曲之二：單體電池建模研究
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，其性能直接影響整車的經濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統燃油汽車最大的區別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統和電機的重要紐帶，電池管理系統(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，防止電池出現過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監控電池組及各電池單芯的運行狀態，有效預防電池組自燃，實現突發事件預警，為保障安全贏得時間。
筆者在梳理電池管理系統開發過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統設計，測試生產提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統的開發中關鍵技術，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數。
圖1 電池管理系統開發過程中的關鍵技術
單體電池模型用以模擬電池動力學特性動態電池模型，是設計高效可靠的電池管理系統（Battery Management System）的基礎。鑒于等效電路模型簡單的結構，良好的動態響應特性，以及狀態空間方程易于求取的優點，因此非常廣泛的應用于純電動汽車電池管理系統的研究領域中。
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進行配比，同時利用辨識工具完成參數識別，分析電池端電壓在不同工況下的動態響應，并逐步改進電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態估計（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎。
展開 第十九講：電池系統建模預測動力典型性能及壽命 | 達索系統百世慧
電池作為電動汽車的重要部件，對電動汽車的動力性、安全性和經濟性等至關重要，電池系統的合理設計對于提高電池使用壽命，保證續航里程有決定性作用。基于模型的電池系統開發，針對電池的電性能、熱性能和老化特性進行耦合分析，并結合電池的多樣化使用場景，保證電池性能輸出及電池壽命達到質保里程的要求。
會議時間：
2022.7.28 14:00-15.00
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主講人：錢劍杰，達索系統CATIA系統工程高級顧問，2012年畢業于浙江大學，碩士。豐富的系統工程及系統仿真業務咨詢經驗，業務領域包括航空航天、汽車、高科技、新能源等行業。
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展開 直播 I 電池系統建模預測動力典型性能及壽命
eid=684&f=jishulin
直播內容
電池作為電動汽車的重要部件，對電動汽車的動力性、安全性和經濟性等至關重要，電池系統的合理設計對于提高電池使用壽命，保證續航里程有決定性作用。
基于模型的電池系統開發，針對電池的電性能、熱性能和老化特性進行耦合分析，并結合電池的多樣化使用場景，保證電池性能輸出及電池壽命達到質保里程的要求。
直播時間
2022年7月28日 14:00-15:00
講師介紹
錢劍杰
達索系統CATIA系統
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展開 基于機理和數據兩個角度的PEMFC燃料電池系統建模-燃電的智慧大腦
對于燃料電池系統來說，我們通常比較關心一個操作比如拉載電流的變化對系統的影響，當然可以是溫度，可以是輸出電壓，也可以是出口組分的濃度變化，或者其他什么的，這就需要對這個系統進行建模。通過建模把這些規律表現出來并部署到BMS系統上，可以做成最強大腦。
建模一般存在兩種思路，一種是通過數據進行建模，比如將歷史數據和操作作為神經網絡（通常采用的是RNN族）結構或者是一些比較傳統的機器學習模型（xgboost）的訓練樣本（最新的transformer也可以一試），然后接入新的操作進行，在合理的訓練樣本的情況下，一般來說效果都不會太差。這種方式存在一個缺點就是對機理的描述不是很清楚，在很多老的專家眼里不是很認可（他們很多不了解你是在用什么玩意干什么東西，雖然用機理的數學模型他們也不是很了解，但認可度非常高，同時這個模型對沒見過的數據也會胡言亂語），我也嘗試做個很多這樣的模型，用在燃電或者其他領域，感興趣可以用聯系我。
另外一種就是機理角度進行建模，這里我覺得又可以再分為兩種，具體來說可以把機理通過微分-代數方程組的形式表達出來，然后通過求解這個系統的微分代數方程進行。一般來說都是常微分-代數方程組的形式進行系統的仿真呢，可以考慮多種物理現象進來，計算的時間也可以很快，部署方便。
展開 
2025大賽優秀作品 | 電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作品名稱：電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作者：重慶大學 | 張高陽
關鍵詞：電池熱失控機理，熱失控產氣速率計算，氣體爆炸極限，電池系統泄壓閥
作者說
利用Ansys SpaceClaim可以快速對電池包STP模型進行前處理，該軟件的操作流程比較清晰適合初學者進行三維數模設計，并且其共享拓撲和抽取流體的功能也十分好用，與Fluent Meshing相配合能夠快速劃分流體網格。另外，Fluent提供的UDF功能也給使用者提供了二次開發的接口，能夠自定義模型的物理反應過程，從而解決工程中出現的新問題。
目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動汽車上得到了廣泛應用，而大容量三元鋰離電池發生熱失控后可能會誘發更為嚴重的火災事故。為此本案例針對117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負極與電解液反應、正極分解反應、電解質分解等過程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數關系得到內短路產熱的表達式。在此基礎上，結合AEC實驗數據擬合得到產熱/產氣速率方程，構建了CTP電池系統熱失控多物理場仿真模型，揭示了熱量的傳播與氣體擴散規律，發現在Pack尾部布置3個50mm泄壓閥時，系統內部的可燃氣體濃度能夠在17.3s內降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風險。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產熱和產氣模型，并在此基礎上模擬CTP電池系統中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴散過程，以此評估隔熱設計的合理性并優化系統泄壓閥的布局與數量。
展開 刀片電池系統的拆解2 電池管理系統設計
7月份寫了這篇文章《刀片電池系統的拆解1 電子電氣設計》，今天接著梳理一下電池管理系統。我盡量客觀地分享，歡迎大家在留言區暢所欲言。
一、刀片電池系統的采樣線路
（1）從整體的基本線路連接來看，刀片電池系統設計的出發點，是在電芯層面提高集成效率，也正是這樣，比亞迪似乎把CMU這個部件當導線來用，如下圖所示。
圖1 EV的刀片系統在采樣系統環節省略了采樣線
這個電池系統由于長度很長，用了大量的PCB來實現連接的功能（每塊CMU有22個采樣點，可實現11節電池的采樣），由于刀片電池是多節串聯，所以使用的CMU是根據總電量和串數進行調節的。
圖2 CMU的情況
（2）CMU的設計
下面有一張圖，CMU通過激光焊接的方式固定在了電芯的輸出極上面，也達到了把CMU支撐起來的效果。整塊板主要包含AFE和菊花鏈的芯片。在這里最重要的是，比亞迪把均衡電路給干掉了，沒有放電電阻、沒有控制放電電阻的三極管。只保留輸入的濾波電路和通信電路。這個CMU的設計，有幾點特殊的地方：
均衡電路的設計
似乎也沒有電芯溫度的采樣，只靠AFE的板載溫度傳感器來替代
備注：這個可以大家一起來討論下，從長期的演進來看，BMS不帶均衡可以么？比亞迪在三元版本的產品中還是帶著均衡電路的，到了刀片電池的版本
圖3 刀片電池系統的CMU
二、主控電路
我目前找到的資料顯示，刀片電池系統主要分兩個版本，分別為3連接器和4連接器。兩個版本相同的部分是：CMU通信電路接口、對外通信控制接口、兩個繼電器控制和電流Shunt的接口三部分。
展開 FEV采用“電池到模塊”方法 推出創新型高性能電池系統
蓋世汽車訊 6月10日，全球領先汽車和動力系統硬件和軟件開發服務供應商FEV采用“電池到模塊”（cell-to-module）的方法推出一種創新型高性能電池系統，可應用于混動汽車。除成本和封裝優化的T骨設計外，該模塊化、高度集成的概念系統還采用創新型主動母線冷卻技術，可實現最高功率密度。該電池系統功率密度高達2 kW/kg，能量為2 kWh，且重量僅為50kg時，可以提供功率100kW，因此可很好地為混動汽車提供支持。
（圖片來源：FEV）
帶集成冷卻功能的T骨結構
FEV和沃爾沃汽車公司示范并驗證了該電池概念。此概念基于中央、功能集成的T骨元件創建，可用于具有集成冷卻功能的電池機械結構，從而提供成本、重量和封裝均優化的模塊設計。
FEV集團首席執行官Stefan Pischinger教授表示：“該系統顯著減少了組件數量和組裝步驟。我們還為功能集成的T骨結構元件選擇了擠壓工藝，從而確保高度靈活性，并進一步推動降低成本。此外，該模塊采用緊湊設計，可堆疊多個模塊。”
電芯可通過導熱粘合劑連接到T骨結構的兩側。為使電芯與T骨載體電絕緣，還采用了粉末涂層。通過這種方式，該涂層和導熱粘合劑的層厚可使得冷卻劑和電池電芯間的熱接觸電阻達到最小。
為補償電池在T骨結構元件長度導致的電芯容差，以及使電池電芯外殼彼此絕緣，每個電池電芯間都會采用自粘壓縮泡沫。為了將電池組機械地固定到載體上，它們通過兩個端板被壓到一個既定長度，然后通過穿過端板的螺釘固定到T骨結構元件的端件上。
展開 考慮系統體積和冷卻性能的風冷電池熱管理系統策略
鋰離子電池作為電動汽車（EV）的核心部件，廣泛應用于混合動力汽車（HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）和純電動汽車（BEV）。動力電池的性能很大程度上決定了整車的性能。電池的能量密度越高，電動汽車的續航能力就越好。高能量密度電池在充電和放電過程中會產生高熱量，如果熱量長時間聚集在一起，不僅會損害電池的使用壽命，還會增加熱失控的風險，嚴重時甚至會引起爆炸，危及人身安全。設計良好的電池熱管理系統（BTMS）可以有效散熱，提高車輛性能，保證車輛和駕駛員的安全。因此，電池熱管理系統具有重要的研究價值和理論意義。當前的研究主要集中在結構設計上，以降低系統的最高溫度為主要目的。然而，冷卻系統的體積對于電動汽車設計也很重要，卻很少受到關注。
02
成果掠影
近期，新疆大學盧浩老師團隊提出了一種新的電池熱管理系統優化策略，該策略綜合考慮系統體積和冷卻性能，可以根據實際應用確定合適的熱管理策略。所提出的方法分為四個步驟：優化系統設計、建立計算代碼、多目標優化和綜合模擬決策。基于計算流體力學（CFD）的數值模擬用于驗證優化后系統的冷卻性能。與當前三種電池熱管理系統設計相比，體積最多減少了13.01%。穩定發熱過程中，最大溫差分別降低了65.79%、40.65%和63.69%，溫度均勻度分別提高了65.87%、34.93%和60.80%。電池組非穩態發熱情況下，5C放電倍率的時候，最大溫差下降2.28 K，最大溫差和溫度均勻性分別下降57.11%和49.15%。
展開 基于鋰電池冷空氣通道的相變材料被動電池熱管理系統的熱性能增強
在替代傳統車輛內燃機的現有選擇中，電力驅動的動力總成，包括電動機和機電電池似乎是最有前途的。
電池熱管理系統分為有源 TMS、無源 TMS 和混合 TMS。被動熱管理系統，如熱管或受益于相變材料 (PCM) 的系統，可以在不消耗任何能量的情況下控制電池溫度。然而，它們的冷卻能力有限，這意味著它們的可靠性不能滿足汽車傳熱工程師的要求。另一方面，利用主動式 TMS 可以達到更大的冷卻能力，但要達到這一目的，需要消耗大量能量。此外，創建均勻的溫度分布被認為是對這些 TMS 的大膽挑戰。在混合動力電池熱管理系統中，結合了主動和被動TMS的優點，并試圖盡可能地由另一方的角色來彌補缺點，然而，當前對這種電池熱管理系統的研究很少。
02
成果掠影
近期，伊朗科技大學汽車工程學院G.R. Molaeimanesh團隊研究出一種混合動力電池熱管理系統（BTMS），基于相變材料的主動熱管理系統（TMS）和被動TMS的組合(PCM) 將電池溫度保持在合適的范圍內，同時與被動 TMS 相比具有更好的冷卻效果，并且使用比主動 TMS 更少的能量。在整個研究中，該團隊對具有三種不同冷卻管道結構和三種不同冷氣流壓力差的九個案例進行了模擬和研究。結果表明，即使在最壞的情況下，溫度的升高也是安全的、可接受的，并且對于熱管理考慮來說足夠平穩。電池的最高溫度從未超過 314 K，顯示出所提出的混合 BTMS 的完美能力。此外，人們可以注意到入口空氣越強大流或通過 PCM 體積的冷卻管道越長，電池表面溫度越低。此外，在所有模擬情況下，電池模塊內電池的最大溫差不超過 1.6 °C，證明了所提出的混合 BTMS 在電池組內創造均勻溫度分布方面的出色能力。
展開 電動汽車動力電池均衡方法研究 附電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍下載
根據當前我國對于均衡裝置的電流評定標準來看，組合電池的電流應當是動力電池的0.05倍或者0.1倍，在此區間內是比較合適的。
3.2均衡結果
組合電池的內部差異會影響電動汽車的運行效率與安全性，因此為了減少電池荷電狀況的異常，采用均衡裝置將組合電池進行連接，改善電池的性能，增長電池的使用周期。例如對28組12Ah、336V的鎳氫組合電池進行電源輸出，經過測量和得出電壓差異值低于0.05V。此外，將該組合電池的電壓降低到電池荷電狀況的10%，將此范圍內的所有組合電池進行對比，就可以得出組合電池的均衡前后電壓差異指數為50mA，說明均衡效果顯著。再者，組合電池的均衡前電壓小于均衡后的電壓，并且動力電池的容量上升49Ahs，同比增加16%。得出如果上述組合電池不進行均衡處理，就會導致電池差異性越發嚴重，使得動力電池的輸出功率大大降低。
4結語
本文就當前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進行闡述，并使用上述均衡方式進行實驗，將12Ah、336V的鎳氫組合電池采用集中均衡與分散均衡的方法進行實驗，根據結果所得的電壓差異都小于0.05V，符合均衡檢測的標準。從另一方面說明采用均衡方式解決組合電池之間額不平衡差異是十分有效的。但是如果在進行解決的過程中，由于組合電池的數目較大，導致動力電池的內部差異過大，此時應當將組合電池的規格、體積、質量進行統一，加設檢測節點，及時尋找出其中存在問題的組合電池，能夠在一定程度彌補均衡方式的不足之處。
下載地址：電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍
展開 圖解新能源｜電驅動系統&功率電子和電池管理系統月度回顧
這里對8月份的電驅動系統、功率電子和電池管理系統的市場，做一個系統性的回顧。
●乘用車電機累計搭載量為47.9萬套，同比增長98.6%。新能源乘用車三合一及多合一電驅動系統搭載量為28.8萬套，同比增長136.1%，占到總配套量的60.1%，碳化硅的產品開始逐步上量。
●乘用車BMS裝機量439,454套，同比增長105.77%，整車企業通過代工BMS的方式越明顯，在拿回原來整包輸出給電池企業的方式業務，云端BMS管理開始變為各個車企的標準產品。
●OBC市場裝機量為436,210套，同比增長104.25%。這個產品價值量相對低一些，而且自己做的價值并不明顯，這使得第三方供應商較多，分布較散，車企在選擇戰略供應商進行綁定。
▲圖1.新能源系統部件月度概覽
Part 1
電池管理系統
在下面這張圖2里面，BMS裝機量還是比較清楚的：力高、華霆是和電池企業緊密連接的情況下去推進裝車。再加上Preh和UAES，前10名里沒有零部件企業的位置了。
▲圖2.電池管理系統
由于電池管理系統直接和后續云端數據管理，我們發現除了A00級車輛還是打包以外，從A級車輛的整體設計和制造，開始走入電子代工方式。
▲圖3.電池管理系統的自主開發
在這個領域沒有特別的驚喜。
Part 2
電驅動系統
如之前所述，車企抓住的還是3合一和多合一的制造環節，整個組裝由自己完成；電機切入制造，這兩點的趨勢還是比較明顯的（圖4）。
▲圖4.多合一的情況
電機是比較容易做的，隨著扁線工藝和油冷設計的普及，下一步主要看基于HEV雙電機方面的增量，這部分增速會比3合1這樣的更快（圖5）。
展開 
考泰斯-德事隆在中國投資輕量化電池技術 比鋼和鋁電池系統輕50%
最近，該公司收購了一條包括5500噸壓力機（press）在內的直接長纖維熱塑性成型生產線，用于生產其最新的汽車創新產品——Pentatonic創新電池系統。
（圖片來源：kautex）
Pentatonic是一種輕型、可定制電池系統，適用于混合動力和純電動汽車。該系統用熱塑性復合材料或混合式復合金屬材料制成，比起鋼或鋁電池系統要輕50%。
通過一站式生產工藝，可以將結構和熱管理組件直接集成至塑料殼體中，從而簡化材料清單，并減少對額外制造步驟的需求。與鋼和鋁系統相比，二次操作(如焊接和鉚接)更少，從而縮短了周期，同時提供更好的密封性。
新平湖生產線的客戶抽樣活動，預計將于2022年第二季度開始。
Pentatonic產品開發總監Felix Haas表示：“我們準備在中國設計和生產電池系統，增加這條新生產線，是其中的關鍵一步。我們在中國的投資是對公司戰略的明確承諾，即成為新興電動汽車行業的強大參與者。”
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展開 第十五講：達索系統鋰電池行業解決方案在線直播 | 達索系統百世慧?
對于不同發展階段的企業，其痛點和需求，以及改善的方向也有所不同：
鋰電池行業全生命周期解決方案
達索系統3DEXPERIENCE平臺為鋰電池行業提供一整套端到端解決方案，幫助企業實現高速發展和快速創新。
基于單一的3DEXPERIENCE平臺，企業可以打造一個數字化的虛擬世界。通過定義數字化的模型基座來記錄、承載產品研發的各個階段的信息；通過這一整套用來描述產品的數字化模型，更早的在這個數字化世界里，體驗產品、驗證產品，從而更好地研發、更快地制造。
數字化材料創新幫助企業建立分子級的材料開發管理，從材料級別保證產品的質量與安全。
數字化電池研發幫助企業打造流程化、規范化的產品過程管理，將主機廠和企業的研發質量體系通過數字化的方式落地到系統中，建立符合APQP質量體系要求的高效協同研發體系。
數字化制造運營幫助企業實現智能化的制造過程，打造全流程的全球產品質量追溯和遏制能力，在建立數字化工廠、加速投產速度的同時，提升生產的良率，并通過生產計劃和供應鏈計劃實現最優化的生產排程和最大化的企業資金流利用率。
數字化材料創新
數字化材料創新包括：基于材料級的微觀粒子三維建模，完成從原子到系統的材料性能仿真。數字化材料創新幫助企業管理正負極材料、電解液研發的全過程，結合大數據分析，實現材料的屬性建模和性能預測分析。
基于分子的材料研究
基于分子的材料研究通過高通量數據篩選來觀察和研究正負極和電解液的特性，從而最終量化電池材料的物理特性，通過電池材料的創新，發現性能更加優越的新一代材料。
展開 電池管理系統（BMS）
概述
電池管理系統（BMS）為一套保護動力電池使用安全的控制系統，時刻監控電池的使用狀態，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車輛的使用安全提供保障。
經緯恒潤作為國內優質的動力系統供應商，在控制系統開發方面擁有雄厚的實力和豐富的經驗，可以為客戶在電池管理系統開發方面提供優質的工程和配套服務。
BMS 基本功能
電流采集
單體電壓采集
總電壓采集
溫度采集
絕緣電阻檢測
高壓互鎖檢測
整車通訊
附件控制
電池狀態估算
高壓上下電控制
熱管理
均衡控制
充電管理
電池故障分析及在線報警
功能安全
BMS RoadMap
BMS產品布局如下圖所示，涵蓋12V-800V的電池包類型，并兼顧乘用車及商業車使用環境。
BMS 核心算法
基于Kalman濾波的閉環SOC估計策略，提高SOC估計精度
基于模型的容量、內阻在線辨識，監控電池老化狀態（SOH）
考慮工況變化的剩余能量（SOE）估計，保障整車續駛里程估計精度
多狀態聯合估計策略，保障全生命周期狀態估計精度
內短路早期識別，避免演化成熱失控，保障電池使用安全
基于電量一致的均衡策略，充分發揮電池包可用容量
展開 車用燃料電池系統結構詳解
燃料電池，通常說的是氫燃料電池（質子交換膜燃料電池），是一種通過氫氣和氧氣進行氧化還原反應，將化學能轉換成電能的發電裝置。與一般的電池不同，燃料電池只需要提供穩定的氫氣和氧氣，即可連續不斷的提供穩定電能。
燃料電池作用機理
燃料電池工作時，陽極的氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子，氫離子通過質子交換膜到達陰極，電子則沿著外部電路到達陰極（正極）產生電流。而在陰極，空氣中的氫氣與氫離子、電子反應生成水。
單電池結構組成
由于燃料電池的反應物是氫氣和氧氣，唯一生成物是水，應用在汽車上作為動力源能有效減少其它燃油車造成的環境污染問題，也因此，氫燃料汽車被認為是真正環保的新能源汽車。
燃料電池堆圖示
在實際使用時，通常將多片燃料電池串聯起來組裝成燃料電池堆，以提供較大的用電需求。
燃料電池堆的主要部件
其中，由于燃料電池中的催化劑由鉑貴金屬構成成本較高，約占整個燃料電池堆成本的26%。
燃料電池堆成本構成
與傳統燃油車上的發動機相同，燃料電池用作汽車動力源時，也需要相應的輔助系統，因此，燃料電池車上的燃料電池系統也稱為燃料電池發動機，主要由燃料電池堆、空氣供應系統、氫氣供應系統、冷卻系統、配電管理系統和控制器等組成。
豐田Mirai燃料電池車
燃料電池堆
空氣壓縮機（空氣供應系統的核心組件），其作用是將燃料電池堆發電所需的空氣壓縮后輸入電堆，在低流量時采用低壓壓縮，高流量時采用高壓壓縮，以提高效率。
空氣壓縮機
氫氣循環泵（氫氣供應系統核心組件），將未反應的氫氣循環使用，提高了氫氣的利用率。同時，也將生成的水進行循環，實現燃料電池系統的自增濕功能。
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