蓄電池仿真概述

　　系統級的MATLAB/SIMULINK模型常常是基于所有產(chǎn)品個(gè)體級模型的基礎上的。

　　對于蓄電池的開(kāi)發(fā)和設計， 產(chǎn)品個(gè)體的仿真模型顯得更為重要。但是搭建一個(gè)真正的研發(fā)用電池環(huán)境的成本要遠小于建立數學(xué)模型， 蓄電池的各種配件相當便宜， 上汽集團的電池供應商大部分都未采用模型、試制、模型優(yōu)化、量產(chǎn)的循環(huán)流程。其實(shí)比如風(fēng)帆、江森自控這樣的廠(chǎng)商都有很強的自制零部件的實(shí)力， 關(guān)鍵測試的時(shí)間雖然比模型用時(shí)要長(cháng)， 但是綜合起來(lái)節約了總成本， 而且對產(chǎn)品的衍生系列開(kāi)發(fā)和整車(chē)廠(chǎng)做供電集成工作有很大幫助。

　　另一方面， 蓄電池是一個(gè)很復雜的系統， 內部各種變量都影響著(zhù)其容量性能、瞬態(tài)輸出、水耗、循環(huán)次數等。這些變量( 例如： 活性物質(zhì)的數量、電解液密度和溫度、內阻特性、隔板與板柵結構、化學(xué)元素的組成、電解質(zhì)分層特性等) 不同的側重點(diǎn)會(huì )有不同的模型。圖4為電池內部復雜的溫度分度， 可見(jiàn)電池溫度并不是單一參數， 而是對反應源距離間的一個(gè)復雜函數， 這也是對傳統電池常常提到均衡充電的原因。

　　圖4 電池內部復雜的溫度分度示意圖

　　正因為其復雜性， 所以對于各種試驗環(huán)境下表現出的性能難以從經(jīng)驗預知， 特別是對整車(chē)廠(chǎng)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品/車(chē)系平臺設計來(lái)說(shuō)， 是相當嚴酷而且耗時(shí)的測試， 鑒定試驗時(shí)間平均半年左右， 一旦試驗不成功， 整改和重做的成本是相當大的。因此， 在試驗前期常常需要一個(gè)前期的"摸底式"測試， 這時(shí)仿真測試是最佳選擇。而且利用模型可以把電流密度、極板腐蝕、壽命等不論從時(shí)間還是技術(shù)上難以測量的變量變得更易于測量。這種數學(xué)模型系統一旦建立起來(lái)后， 新項目開(kāi)發(fā)耗時(shí)與成本將會(huì )大大減少。圖5為使用和未使用該方式開(kāi)發(fā)的耗時(shí)區別， 每塊為一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)周期。

　　圖5 使用和未使用仿真模型開(kāi)發(fā)的耗時(shí)區別

2 電池模型在性能評估領(lǐng)域的各種應用

　　汽車(chē)蓄電池模型不僅在設計領(lǐng)域有應用， 在既成產(chǎn)品的性能評估方面也有著(zhù)重要作用。更多人會(huì )關(guān)注電池模型的性能評估應用， 并且決不僅限于汽車(chē)行業(yè)， 但是常常是只有少數的設計人員或是科研人員才會(huì )關(guān)心模型的設計應用。借助于模型， 蓄電池設計人員可以研究各種設計方案對性能的影響，比如： 深放電對容量的影響， 內阻與容量的非線(xiàn)性對應， 使用溫度與壽命的關(guān)系， 電池欠充電狀態(tài)與長(cháng)時(shí)間不充電對性能的影響， 靜態(tài)自放電影響， 放置時(shí)間與內阻關(guān)系， 恒定放電深度與壽命次數的關(guān)系等。這些模型有不同的研究側重點(diǎn)， 也可以根據試驗數值建立模型數據庫， 向上這個(gè)數據庫可以做為系統級模型的準確輸入， 向下可以對衍生品開(kāi)發(fā)做一個(gè)對比模型， 甚至可以建立ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統， 但Sigmoid算法對輸入層的準確度要求很高。

　　在混合動(dòng)力HEV等交通工具中， 能源是核心問(wèn)題， 能源的性能評估也是相當的重要。像福特的ESCAPE、豐田的PRIUS等最新的HEV車(chē)， 工作原理都是使用蓄電池來(lái)提供能量， 并且得到相應的能量補償，使蓄電池至始至終都維持在一個(gè)最高效的區域。其在混合動(dòng)力車(chē)上作為能源的中間樞紐， 充電狀態(tài)SOC作為分配能量策略的核心參數和對決定"高效區"來(lái)說(shuō)是相當重要的。而如何評估SOC, 并且在ECU控制器中如何制定合理的用電策略， 依靠的就是一個(gè)實(shí)時(shí)的個(gè)體級數學(xué)模型的建立。

　　在UPS和航天電池、潛艇電池中， 電池模型的應用也有很大前景。股票證券業(yè)、汽車(chē)設計的數據管理都需要一個(gè)可靠性能的"不間斷" 電池做支持， 時(shí)間就是一個(gè)很重要的參數了。如何評估電池并且在斷電時(shí)實(shí)時(shí)監視， 抗負載突發(fā)需求是相當重要的?？煽康谋O視策略和準確的模型是分不開(kāi)的，特別是充放電SOC比率曲線(xiàn)與內阻對性能影響的測算。航天電池通?？梢跃S持一年以上， 所以一個(gè)傾向于可以測算自放電、老化、能量消耗速度及內部極板生長(cháng)等的模型是十分必要的。

　　3 電池仿真技術(shù)與實(shí)現

　　3.1 軟件實(shí)現技術(shù)

　　歐洲一些研究機構使用MATLAB或ANSYS等軟件對民用電池進(jìn)行仿真。德國寶馬和美國通用使用SABAR等數學(xué)分析軟件建立汽車(chē)鉛酸式蓄電池仿真模型。有些簡(jiǎn)易的充放電電池模型也可以用框圖式軟件SIMULINK等完成。而蓄電池越來(lái)越復雜的模型應用需求， 常常要求有電池專(zhuān)門(mén)特點(diǎn)的一些工具箱或是專(zhuān)門(mén)軟件。例如BATTERY DESIGN STD公司開(kāi)發(fā)的電池設計軟件， 其使用VC++編寫(xiě)， 用戶(hù)環(huán)境界面十分友好， 如圖6所示。

　　圖6 環(huán)境測試中耐久性試驗的仿真參數曲線(xiàn)( 電池設計軟件界面)

　　這些軟件可以對電池模擬出各種溫度環(huán)境， 圖6為環(huán)境測試中耐久性試驗( ABUSE) 的仿真參數曲線(xiàn)。而且可以自定義放電情況， 自定義充電狀態(tài)， 自定義測試循環(huán)組合的試驗， 并提交試驗結果。圖7為作者用仿真軟件進(jìn)行的電池內部結構設計的軟件界面。