文章來源：1.東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司 2.國家電網(wǎng)大連供電公司

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，不可再生能源的消耗、環(huán)境污染問題接踵而至，新能源電動汽車已成為全球車企及科研機構(gòu)的重點研究對象。其中新能源汽車的動力電池包是動力源，其包含了多個單體電池、線束、繼電器和結(jié)構(gòu)件。由于電池包的復雜性和不一致性，導致每個電池包的價格不菲。為了能在節(jié)省開發(fā)支出的前提下得到動力電池包的特性，需要在設計之初就要有動力電池包的仿真模型。本文提出了一種基于Matlab/Simulink 的仿真設計方案。

通過本文的仿真方案，可以提前設計出預充電阻選型、繼電器選型、高壓上電時間。完成設計之后還可以驗證熱管理參數(shù)、電池特性、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS）策略。

1 功能設計

1.1 Matlab/Simulink 仿真系統(tǒng)

Simulink 是以Matlab 為基礎的可視化建模仿真工具，可對動態(tài)系統(tǒng)進行建模仿真，包括連續(xù)、離散、單速率、多速率、事件驅(qū)動和混合系統(tǒng)等。同時具有面向不同領(lǐng)域的Simulink模型庫（Blocksets），包括航空航天庫、控制系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、機/電/液物理系統(tǒng)模型。用戶也可構(gòu)建自己的模型庫，或?qū)⒁延械腗atlab、C/C++、Fortran 函數(shù)封裝成Simulink 模塊。

1.2 高壓回路

本文采用的電池包高壓回路如圖1 所示。

高壓回路包含電池組、預充電阻、預充繼電器、主正繼電器、主負繼電器、電機電容、電機主動泄放電阻和被動泄放電阻。在電池組放電時，需要先閉合預充回路（預充繼電器和主負繼電器閉合），待電機電容兩側(cè)的電壓達到95%的電池組電壓認為預充完成，然后再斷開預充回路，閉合主回路進行放電操作。

1.3 功能模塊

本文主要設計如下幾個功能模塊。

1.3.1 電池組模型

（1）根據(jù)電池電流的變化，輸出單體電壓，隨著電池的充放電，電池單體電壓會跟隨升高或降低。

（2）根據(jù)溫度變化，輸出單體電池的容量，溫度不同時，電池的容量是不同的，這是電池的特性之一。

（3）根據(jù)電池電流的變化、熱交換因子和外界環(huán)境，輸出電池溫度。隨著電池的充放電，電池自身會發(fā)熱，而電池包具有熱管理功能，對電池的熱量進行傳導散熱。綜合考慮各種因素仿真出電池的實時溫度。

（4）根據(jù)電池的使用時間，輸出每個單體電池的健康狀態(tài)（State of Health, SOH）值；電池SOH與電池使用時間息息相關(guān)，同時電池的濫用也會導致SOH 的降低。

（5）根據(jù)電池電流和溫度，輸出單體電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）。電池的SOC 是與電池的溫度和充放電相關(guān)的。

（6）加入均衡電阻模型，可實現(xiàn)均衡仿真，均衡電阻的溫度也可根據(jù)均衡時間的增加而變化；均衡電阻是BMS 的功能，通過均衡電阻來使電池組內(nèi)的每個單體電池的電壓趨于一致性。

1.3.2 繼電器模型

（1）可設置繼電器的動作時間；高壓繼電器的動作時間較長，一般為30 ms～50 ms，此時間是策略設計的重要參數(shù)。

（2）根據(jù)動作電流的變化繼電器的使用壽命降低；高壓繼電器的壽命曲線是與動作次數(shù)和濫用次數(shù)相關(guān)的，模型需要能實時輸出繼電器的壽命。

（3）隨著動作次數(shù)增加，繼電器使用壽命降低。

（4）可設置繼電器的內(nèi)阻來仿真“似連非連”的黏連狀態(tài)，此為繼電器的故障模式之一，屬于假性黏連。

（5）可設置無法閉合和黏連故障、非預期切斷的故障模式，此為繼電器的故障模式，需要模型具備仿真功能。

1.3.3 電機模型

（1）可設置電機電容參數(shù)，包括容值和時間。電機電容是高壓上電的重要參數(shù)之一，其容值和時間可決定選擇不同的預充電阻和預充繼電器。

（2）可設置被動泄放電阻和主動泄放電阻阻值。電機具備主動泄放和被動泄放電阻，此電阻也是BMS 檢測高壓的重要回路之一。

（3）可自動實施被動泄放和主動泄放的策略。當高壓下電完成后，電機要進行主動泄放，一般在200 ms 內(nèi)就會泄放到安全電壓。當主動泄放出現(xiàn)故障時，會切換到被動泄放，泄放時間較長。

2 模型設計

2.1 電池組模型設計

本文的電池組模型采用二階RC 模型，二階RC 模型如圖2 所示。

其中模型中的參數(shù)獲取途徑有兩個：電池廠獲取和測試。本文的參數(shù)獲取是通過測試的方法獲取。具體測試方法在很多文章中都有說明，這里不再贅述。

單體電池模型通過Simulink 實現(xiàn)圖2 的電池模型，其中的電池參數(shù)采用查表方式得到，簡化模型如圖3 所示。

上述模型是一個單體電池的模型，由于電池組往往是由成百上千個單體電池組成，在單體電池的外圍模型需要加入串聯(lián)數(shù)，可根據(jù)每個電池包的需求而設置。

2.2 繼電器模型

在本文的高壓回路中，采用了2 個主繼電器和1 個預充繼電器。高壓繼電器的主要功能是電池組高壓的通斷，當發(fā)生電池組故障時通過斷開繼電器來切斷高壓回路。

繼電器模型實現(xiàn)三個功能：（1）高壓回路通斷；（2）繼電器壽命預測；（3）繼電器故障診斷。

高壓回路通斷功能需要用到Matlab 的Simscape功能。模型需要實現(xiàn)閉合指令發(fā)出后，高壓回路導通；斷開指令發(fā)出后，高壓回路斷開。模型如圖4 所示。

繼電器壽命預測模型是利用繼電器的壽命曲線通過表格的方式實現(xiàn)歸一化。模型如圖5 所示。

繼電器故障診斷模型是實現(xiàn)繼電器的黏連、非預期切斷、無法閉合的故障檢測。模型如圖6所示。

2.3 電機模型

電機模型實現(xiàn)的是與電池包相關(guān)的功能：預充和泄放。預充的主要作用在于通過在回路中串電阻的方式對電容性負載進行充電，避免通過開關(guān)直接閉合回路對容性負載進行充電[4]。當預充電壓達到了電池組電壓的95%認為預充成功；而泄放是當切斷繼電器后，由于電機的電容存在，電容仍有高壓存在，此時需要用到被動或主動泄放功能。模型如圖7 所示。

3 仿真

為了驗證此模型的功能，本文導入了某個現(xiàn)有項目的電池參數(shù)和X 電容參數(shù)。對于繼電器模型本文只仿真了通斷功能，應用到了電機模型中仿真得出了圖11 的預充曲線。X 電容為630 μF，電池參數(shù)如表1—表5 所示。

本文導入了一個電流工況，如圖8 所示。

得到的最大單體電壓變化，如圖9 所示。

從圖中可以看出歐姆內(nèi)阻、極化電容和濃差電容對電池電壓變化的影響，符合鋰電池的電化學特性。

最高單體電池溫度如圖10 所示。

從圖中看出溫度是跟隨運行時間的增長而升高的，但是此溫度只是仿真電池受電流的影響，并未加入電池組結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，這是后期需要優(yōu)化的地方。

高壓回路的預充曲線如圖11 所示。

從圖中可以看出外部高壓的變化，由于預充電容的影響在閉合繼電器的初期是給電容充電，此時的高壓是在緩慢變化的。當預充電壓達到電池組總壓的95%時預充完成，外部總壓上升到與電池組總壓相同。

4 結(jié)論

電池包仿真模型可以模擬電池電壓和溫度變化，高壓回路電壓的變化，在項目的設計初期可以得到很好的應用。