電動汽車動力電池包仿真模型設計

卜凡濤，劉木林，欒敬釗，單 沖，周 帥

電動汽車動力電池包仿真模型設計

卜凡濤1，劉木林1，欒敬釗2，單 沖1，周 帥1

（1.東軟睿馳汽車技術（沈陽）有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.國家電網大連供電公司，遼寧 大連 116000）

隨著新能源汽車的普及，各個整車廠在新能源車型投入的越來越多，車型也越來越多，而每個車型對應的電池包也不同。為了在電池包設計前期了解電池的性能，基于Matlab/ Simulink設計了一種動力電池包的仿真模型。此仿真模型可以通過輸入電池參數仿真出電池的溫度變化曲線、電壓變化曲線以及荷電狀態變化曲線，通過輸入繼電器和高壓系統參數仿真出預充時間和高壓輸出變化曲線，通過導入車輛工況仿真出電池運行的實時狀態（溫度、電壓、荷電狀態等）。這些變化曲線對于電芯的選型以及預充電阻的選型具有重要的參考價值。經過仿真后的曲線分析，此模型與電池的電化學特性相符，高壓變化也符合物理變化特性，可以用作電芯和預充電阻的選型參考。

電動汽車；動力電池；單體電池；單體溫度；單體電壓；仿真模型設計；Matlab/Simulink

隨著社會經濟的發展，不可再生能源的消耗、環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的重點研究對象[1]。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、繼電器和結構件。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。為了能在節省開發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、電池特性、電池管理系統（Battery Management System,BMS）策略。

1 功能設計

1.1 Matlab/Simulink 仿真系統

Simulink是以Matlab為基礎的可視化建模仿真工具，可對動態系統進行建模仿真，包括連續、離散、單速率、多速率、事件驅動和混合系統等。同時具有面向不同領域的Simulink模型庫（Block- sets），包括航空航天庫、控制系統、信號處理系統、通訊系統、機/電/液物理系統模型。用戶也可構建自己的模型庫，或將已有的Matlab、C/C++、Fortran函數封裝成Simulink模塊[2]。

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。

圖1 電池包高壓回路

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）根據電池電流的變化、熱交換因子和外界環境，輸出電池溫度。隨著電池的充放電，電池自身會發熱，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）根據電池的使用時間，輸出每個單體電池的健康狀態（State of Health, SOH）值；電池SOH與電池使用時間息息相關，同時電池的濫用也會導致SOH的降低。

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

（6）加入均衡電阻模型，可實現均衡仿真，均衡電阻的溫度也可根據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。

（2）根據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和濫用次數相關的，模型需要能實時輸出繼電器的壽命。

（3）隨著動作次數增加，繼電器使用壽命降低。

（4）可設置繼電器的內阻來仿真“似連非連”的黏連狀態，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，包括容值和時間。電機電容是高壓上電的重要參數之一，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內就會泄放到安全電壓。當主動泄放出現故障時，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模型，二階模型如圖2所示[3]。

圖2 二階RC模型

其中模型中的參數獲取途徑有兩個：電池廠獲取和測試。本文的參數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實現圖2的電池模型，其中的電池參數采用查表方式得到，簡化模型如圖3所示。

圖3 單體電池模型

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數，可根據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。

圖4 繼電器高壓回路通斷模型

圖5 繼電器壽命模型

高壓回路通斷功能需要用到Matlab的Sims- cape功能。模型需要實現閉合指令發出后，高壓回路導通；斷開指令發出后，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歸一化。模型如圖5所示。

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

圖6 繼電器故障診斷模型

2.3 電機模型

電機模型實現的是與電池包相關的功能：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。

圖7 電機模型

3 仿真

為了驗證此模型的功能，本文導入了某個現有項目的電池參數和電容參數。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。電容為630 μF，電池參數如表1—表5所示。

表1 歐姆內阻阻值 單位：Ω

表2 極化內阻阻值 單位：Ω

表3 濃差內阻阻值 單位：Ω

表4 極化電容容值 單位：nF

表5 濃差電容容值 單位：nF

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，并未加入電池組結構和環境的影響，這是后期需要優化的地方。

圖8 電流工況

圖9 單體電壓變化曲線

圖10 單體溫度變化曲線

高壓回路的預充曲線如圖11所示。

圖11 預充曲線

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。

[1] 楊勇,張菁,錢瀟瀟.動力電池均衡控制系統設計[J].智能計算機與應用,2019,9(3):216-222.

[2] 馮超.基于Matlab/Simulink的電動汽車仿真模型設計與應用[D].北京:中國科學院大學,2013.

[3] 陸文祺,張成濤,王佳奇,等.基于Simulink的車載電池模型的建模與仿真[J].汽車實用技術,2019,44(8): 10-13,24.

[4] 姜點雙,趙久志,王曉鵬.基于Matlab的電動汽車預充電路仿真[J].汽車實用技術,2017,42(7):7-8,15.

Simulation Model Design of Electric Vehicle Power Battery Pack

BU Fantao1, LIU Mulin1, LUAN Jingzhao2, SHAN Chong1, ZHOU Shuai1

( 1.Neusoft Reach Automotive Technology (Shenyang) Company, Shenyang 110000, China;2.State Grid Dalian Power Supply Company, Dalian 116000, China )

With the increasing popularity of new energy vehicles, various OEMs have invested more and more in new energy car, and there are more and more car models, and the battery packs corresponding to each model are also different. In order to understand the performance of the battery in the early stage of the battery pack design, this paper designs a simulation model of the power battery pack based on Matlab/Simulink. This simulation model can simulate the temperature change curve, voltage change curve and state of charge change curve of the battery by inputting battery parameters, simulate the precharge time and high voltage output change curve by inputting the parameters of the relay and high voltage system, and simulate the battery by importing the vehicle operating conditions. Real-time status of operation (temperature, voltage, state of charge, etc.). These change curves have important reference value for the selection of cells and the selection of pre-charging resistors.After the curve analysis after simulation, this model is consistent with the electrochemical characteristics of the battery, and the high-voltage change is also consistent with the physical change characteristics, which can be used as a reference for the selection of cells and pre-charging resistors.

Electric vehicle;Power battery; Cell battery; Cell battery temperature; Cell battery voltage;Simulation model design;Matlab/Simulink

TM912

A

1671-7988(2022)24-14-09

TM912

A

1671-7988(2022)24-14-09

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.003

卜凡濤（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為交通信息工程及控制，E-mail:manjixingkong@163.com。