蓄電池仿真概述

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

　　對于蓄電池的開發(fā)和設(shè)計， 產(chǎn)品個體的仿真模型顯得更為重要。但是搭建一個真正的研發(fā)用電池環(huán)境的成本要遠小于建立數(shù)學模型， 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。其實比如風帆、江森自控這樣的廠商都有很強的自制零部件的實力， 關(guān)鍵測試的時間雖然比模型用時要長， 但是綜合起來節(jié)約了總成本， 而且對產(chǎn)品的衍生系列開發(fā)和整車廠做供電集成工作有很大幫助。

　　另一方面， 蓄電池是一個很復雜的系統(tǒng)， 內(nèi)部各種變量都影響著其容量性能、瞬態(tài)輸出、水耗、循環(huán)次數(shù)等。這些變量( 例如： 活性物質(zhì)的數(shù)量、電解液密度和溫度、內(nèi)阻特性、隔板與板柵結(jié)構(gòu)、化學元素的組成、電解質(zhì)分層特性等) 不同的側(cè)重點會有不同的模型。圖4為電池內(nèi)部復雜的溫度分度， 可見電池溫度并不是單一參數(shù)， 而是對反應源距離間的一個復雜函數(shù)， 這也是對傳統(tǒng)電池常常提到均衡充電的原因。

　　圖4 電池內(nèi)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(xiàn)出的性能難以從經(jīng)驗預知， 特別是對整車廠開發(fā)新產(chǎn)品/車系平臺設(shè)計來說， 是相當嚴酷而且耗時的測試， 鑒定試驗時間平均半年左右， 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前期的"摸底式"測試， 這時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、壽命等不論從時間還是技術(shù)上難以測量的變量變得更易于測量。這種數(shù)學模型系統(tǒng)一旦建立起來后， 新項目開發(fā)耗時與成本將會大大減少。圖5為使用和未使用該方式開發(fā)的耗時區(qū)別， 每塊為一個完整的開發(fā)周期。

　　圖5 使用和未使用仿真模型開發(fā)的耗時區(qū)別

2 電池模型在性能評估領(lǐng)域的各種應用

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

　　在混合動力HEV等交通工具中， 能源是核心問題， 能源的性能評估也是相當?shù)闹匾Ｏ窀Ｌ氐腅SCAPE、豐田的PRIUS等最新的HEV車， 工作原理都是使用蓄電池來提供能量， 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最高效的區(qū)域。其在混合動力車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(shù)和對決定"高效區(qū)"來說是相當重要的。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， 依靠的就是一個實時的個體級數(shù)學模型的建立。

　　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)、汽車設(shè)計的數(shù)據(jù)管理都需要一個可靠性能的"不間斷" 電池做支持， 時間就是一個很重要的參數(shù)了。如何評估電池并且在斷電時實時監(jiān)視， 抗負載突發(fā)需求是相當重要的?？煽康谋O(jiān)視策略和準確的模型是分不開的，特別是充放電SOC比率曲線與內(nèi)阻對性能影響的測算。航天電池通常可以維持一年以上， 所以一個傾向于可以測算自放電、老化、能量消耗速度及內(nèi)部極板生長等的模型是十分必要的。

　　3 電池仿真技術(shù)與實現(xiàn)

　　3.1 軟件實現(xiàn)技術(shù)

　　歐洲一些研究機構(gòu)使用MATLAB或ANSYS等軟件對民用電池進行仿真。德國寶馬和美國通用使用SABAR等數(shù)學分析軟件建立汽車鉛酸式蓄電池仿真模型。有些簡易的充放電電池模型也可以用框圖式軟件SIMULINK等完成。而蓄電池越來越復雜的模型應用需求， 常常要求有電池專門特點的一些工具箱或是專門軟件。例如BATTERY DESIGN STD公司開發(fā)的電池設(shè)計軟件， 其使用VC++編寫， 用戶環(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(shù)曲線( 電池設(shè)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(shù)曲線。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(jié)果。圖7為作者用仿真軟件進行的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件界面。