蓄電池仿真概述

　　系統(tǒng)級(jí)的MATLAB/SIMULINK模型常常是基于所有產(chǎn)品個(gè)體級(jí)模型的基礎(chǔ)上的。

　　對(duì)于蓄電池的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)， 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(yuǎn)小于建立數(shù)學(xué)模型， 蓄電池的各種配件相當(dāng)便宜， 上汽集團(tuán)的電池供應(yīng)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、江森自控這樣的廠商都有很強(qiáng)的自制零部件的實(shí)力， 關(guān)鍵測(cè)試的時(shí)間雖然比模型用時(shí)要長(zhǎng)， 但是綜合起來(lái)節(jié)約了總成本， 而且對(duì)產(chǎn)品的衍生系列開(kāi)發(fā)和整車(chē)廠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(fù)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(xué)元素的組成、電解質(zhì)分層特性等) 不同的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有不同的模型。圖4為電池內(nèi)部復(fù)雜的溫度分度， 可見(jiàn)電池溫度并不是單一參數(shù)， 而是對(duì)反應(yīng)源距離間的一個(gè)復(fù)雜函數(shù)， 這也是對(duì)傳統(tǒng)電池常常提到均衡充電的原因。

　　圖4 電池內(nèi)部復(fù)雜的溫度分度示意圖

　　正因?yàn)槠鋸?fù)雜性， 所以對(duì)于各種試驗(yàn)環(huán)境下表現(xiàn)出的性能難以從經(jīng)驗(yàn)預(yù)知， 特別是對(duì)整車(chē)廠開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品/車(chē)系平臺(tái)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)， 是相當(dāng)嚴(yán)酷而且耗時(shí)的測(cè)試， 鑒定試驗(yàn)時(shí)間平均半年左右， 一旦試驗(yàn)不成功， 整改和重做的成本是相當(dāng)大的。因此， 在試驗(yàn)前期常常需要一個(gè)前期的"摸底式"測(cè)試， 這時(shí)仿真測(cè)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(cè)量的變量變得更易于測(cè)量。這種數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)一旦建立起來(lái)后， 新項(xiàng)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(qū)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(qū)別

2 電池模型在性能評(píng)估領(lǐng)域的各種應(yīng)用

　　汽車(chē)蓄電池模型不僅在設(shè)計(jì)領(lǐng)域有應(yīng)用， 在既成產(chǎn)品的性能評(píng)估方面也有著重要作用。更多人會(huì)關(guān)注電池模型的性能評(píng)估應(yīng)用， 并且決不僅限于汽車(chē)行業(yè)， 但是常常是只有少數(shù)的設(shè)計(jì)人員或是科研人員才會(huì)關(guān)心模型的設(shè)計(jì)應(yīng)用。借助于模型， 蓄電池設(shè)計(jì)人員可以研究各種設(shè)計(jì)方案對(duì)性能的影響，比如： 深放電對(duì)容量的影響， 內(nèi)阻與容量的非線性對(duì)應(yīng)， 使用溫度與壽命的關(guān)系， 電池欠充電狀態(tài)與長(zhǎng)時(shí)間不充電對(duì)性能的影響， 靜態(tài)自放電影響， 放置時(shí)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(diǎn)， 也可以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)值建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)， 向上這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以做為系統(tǒng)級(jí)模型的準(zhǔn)確輸入， 向下可以對(duì)衍生品開(kāi)發(fā)做一個(gè)對(duì)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(duì)輸入層的準(zhǔn)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(píng)估也是相當(dāng)?shù)闹匾?。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(yīng)的能量補(bǔ)償，使蓄電池至始至終都維持在一個(gè)最高效的區(qū)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(shù)和對(duì)決定"高效區(qū)"來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的。而如何評(píng)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(jí)數(shù)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(yīng)用也有很大前景。股票證券業(yè)、汽車(chē)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)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(shù)了。如何評(píng)估電池并且在斷電時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)視， 抗負(fù)載突發(fā)需求是相當(dāng)重要的?？煽康谋O(jiān)視策略和準(zhǔn)確的模型是分不開(kāi)的，特別是充放電SOC比率曲線與內(nèi)阻對(duì)性能影響的測(cè)算。航天電池通常可以維持一年以上， 所以一個(gè)傾向于可以測(cè)算自放電、老化、能量消耗速度及內(nèi)部極板生長(zhǎng)等的模型是十分必要的。

　　3 電池仿真技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　歐洲一些研究機(jī)構(gòu)使用MATLAB或ANSYS等軟件對(duì)民用電池進(jìn)行仿真。德國(guó)寶馬和美國(guó)通用使用SABAR等數(shù)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(fù)雜的模型應(yīng)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(shè)計(jì)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(cè)試中耐久性試驗(yàn)的仿真參數(shù)曲線( 電池設(shè)計(jì)軟件界面)

　　這些軟件可以對(duì)電池模擬出各種溫度環(huán)境， 圖6為環(huán)境測(cè)試中耐久性試驗(yàn)( 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(cè)試循環(huán)組合的試驗(yàn)， 并提交試驗(yàn)結(jié)果。圖7為作者用仿真軟件進(jìn)行的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件界面。