CN108062086B - 基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源电动汽车电池管理系统应用技术领域，特别涉及一种基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，该方法以不同SOC、温度、充放电倍率以及循环寿命SOH四维状态下的二阶RC等效电路电池组模型为基础，结合单体电池与空气的热对流模型、单体电池之间的热传导模型、SOH估算模型、安时积分和充放电末端修正的SOC估算模型，模拟电池在实际使用过程中的运行情况，验证充放电控制策略中充放电倍率区间划分是否合理、倍率数值设置是否适当，实现在模拟环境下验证充放电控制策略的目的，进而缩短了实验室搭建测试平台验证的时间，提高工作效率。

Description

基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法

技术领域

本发明专利属于新能源电动汽车电池管理系统应用技术领域，具体涉及一种基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法。

背景技术

近年来，随着传统燃油汽车快速增加带来的一系列能源和环境问题，迫使各国再次审视汽车产业未来的发展趋势。目前，一些国家已经明确宣布将全面禁售燃油车：英国2040年起禁售汽油和柴油汽车；法国2040年全面禁售燃油车，计划于2050年实现碳中和；德国2030年后禁售传统内燃机汽车，只允许零排放汽车上路；挪威2025年禁售燃油车；荷兰2025年禁售燃油车；印度2030年全面禁售燃油车，到2032年全面实现车辆电动化。禁售燃油车的禁令，使得新能源汽车再次成为汽车行业的关注焦点，纯电动汽车将提前迈入纯市场化的新台阶。

动力电池是电动汽车能源供给装置，其性能的优劣直接决定着新能源汽车的发展前景，因此需要专门的动力电池管理系统对电池组进行实时检测，估算电池的剩余容量(SOC)，对其进行充放电控制管理，防止电池过充、过放，提高动力电池的使用效率、可靠性，延长电池的使用寿命。目前，对动力电池充放电管理验证，多采用利用实物电池搭建测试平台，人工设置测试工步的方法，不仅耗时耗力，而且测试周期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，实现在模拟环境下验证电池充放电控制策略的目的，进而缩短了实验室利用实物电池搭建测试平台验证的时间，提高工作效率，缩短测试周期。等效电池模型的阶数越高，越能真实的反应电池的动态特性，电流突变时对SOC估算产生的影响越小，但考虑到阶数越高，数据处理难度成正比增加，所以本发明选择二阶等效电路模型进行建模。

为了实现上述发明专利的目的，本发明采用以下技术方案：

1)对电池HPPC测试数据进行电动势Em、内阻R0、极化内阻R1和R2、极化电容C1和C2的参数辨识，得到参数在不同SOC(0～100％，每次变化量5％)、温度、充放电倍率及循环寿命SOH(100％～80％)下的四维矩阵表。HPPC(Hybrid Pulse Power Characteristic的缩写)混合动力脉冲能力特性是用来体现动力电池脉冲充放电性能的一种特征。电池荷电状态即State of charge，缩写：SOC；也可以称为电池剩余容量。循环寿命SOH是State ofHealth的缩写，也称为寿命状态。

2)利用Simscape语言和组件间的物理特性创建四维矩阵下单体电池的电动势Em、内阻R、极化电容C模型库。该模型库跟参数SOC、温度、充放电倍率及SOH有关。

3)依据热力模型，建立电池温度模型，其中包括三部分：电池内部的能量消耗、电池与空气的热对流模型和电池与电池之间的热传导模型。电池组中单体电池的温升计算公式如下：

式中，C为电池比热容；m为单体电池的质量；为电池的温度变化率；Q₀为电池内阻产生的热流量；Q_v、Q_d分别为热对流和热传导传递出去的热流量。

欧姆内阻R₀、极化内阻R₁和R₂产生电池内部的热流量，计算公式如下：

Q₀＝I²R₀+I₁ ²R₁+I₂ ²R₂ (2)

式中，I为电路总电流，I₁和I₂分别为支路1、2的电流。

电池与空气的热对流模型传递的热流量，计算公式如下：

Q_v＝h_conv·ΔT_v·A₁ (3)

式中，h_conv为热对流传热系数，取值范围5～20；ΔT_v为电池与空气之间的温差；A₁为电池与空气的接触面积。

相邻电池之间的热传导模型传递的热流量，计算公式如下：

式中，ΔT_d为两单体电池之间的温差；A₂为单体电池外壳与绝缘板的接触面积；d₁、d₂、d₃分别为单体电池1的壳体厚度，绝缘板的厚度，单体电池2的壳体厚度；h_cond1、h_cond2为分别为单体电池壳体的热传导系数、绝缘板的热传导系数。

4)建立SOC估算模型，用于估算电池组的剩余容量。SOC估算采用安时积分法和充放电末端电压修正法。安时积分法估算SOC，结果偏差较大，在安时积分的过程中会出现累计误差，增加充放电末端电压修正可以修正安时积分法在积分过程中出现的累积误差，提高SOC估算的精度。计算公式如下：

式中，SOC₀为初始值；±代表充电时取正，放电时取负；C_N为电池的额定容量；k_i，k_t为C_N的电流修正系数和温度修正系数。

5)建立SOH估算模型，用于估算电池的循环寿命。计算电池每次的放电量和累计放电总电量，得到等效放电次数N的估算值，通过查找使用大量实验数据建立的N-SOH数据表，得到SOH值。其中计算公式如下：

式中，k₁，k₂，……，k_m分别为第1，2，……，m次放电的放电深度修正系数，可由每次放电末端电池的端电压测量值V来确定；C₁，C₂，……，C_m分别第1，2，……，m次的放电容量。

6)根据步骤2)中创建的模型库以及二阶RC等效电路图，先建立单体电池模块；再结合步骤3)中的热对流模型，步骤4)中的SOC估算模型和步骤5)中的SOH估算模型，建立单体电池二阶RC等效电路模型，得到单体电池的SOC、SOH估算值、端电压值；所述热对流模型的输入为环境温度，输出为环境与单体电池之间传递的热流量；所述SOC估算模型输入为充放电模型的充放电电流、单体电池的电压、单体电池的温度、SOC初始值，输出为单体电池的SOC估算值；所述SOH估算模型的输入为充放电模型的充放电电流、单体电池的电压，输出为单体电池的SOH估算值。

7)结合步骤3)中的热传导模型将步骤6)中的单体电池串联组成电池组模型；热传导模型输入为高温单体传递出的热流量，输出为传递给低温单体的热流量。

8)建立电池组充放电模型，输出工况充放电电流。具体分为充电机模型和电机模型；充电机模型输入为控制策略中各单体电池温度的最大值、电池组SOC与充电电流的二维矩阵表，输出为充电电流；电机模型输入为各单体电池温度最大值、电池组SOC和电机运行工况，输出为放电工况电流。

9)根据步骤7)中的电池组模型和步骤8)中的充放电模型，建立充放电控制策略验证模型。

10)将实际运行工况的电池组的充放电电流和环境温度作为输入参数导入验证模型，通过程序中不断的迭代运算和查表运算，得到电池组的输出端电压、温度、估算的SOC。综合考虑三个输出结果，来判定充放电控制策略中充放电倍率区间划分是否合理、倍率数值设置是否符合适当。

本发明相对于现有技术，具有的优点和有益效果为：本发明的基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，以不同SOC、温度、充放电倍率以及循环寿命SOH四维状态下的二阶RC等效电路电池组模型为基础，结合单体电池与空气的热对流模型、单体电池之间的热传导模型、SOH估算模型、安时积分和充放电末端修正的SOC估算模型，模拟电池在实际使用过程中的运行情况，验证充放电控制策略中充放电倍率区间划分是否合理、倍率数值设置是否适当，实现在模拟环境下验证充放电控制策略的目的，可操作性强，缩短了实验室利用实物电池搭建测试平台验证的时间，省时省力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为充放电控制策略验证模型；

图2是本发明控制策略的流程示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的说明，详细描述不同SOC、温度、充放电倍率及循环寿命SOH下等效电路电池模型，验证充电控制策略的方法。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2所示，本发明的一种基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，包括以下步骤，

1)对电池HPPC测试数据进行电动势Em、内阻R0、极化内阻R1和R2、极化电容C1和C2的参数辨识，得到参数在不同SOC(0～100％，每次变化量5％)、温度、充放电倍率及循环寿命SOH(100％～80％)下的四维矩阵表。

2)利用Simscape语言和组件间的物理特性创建四维矩阵下电动势Em、内阻R、极化电容C模型库，如图1所示。

3)依据热力模型，建立电池温度模型，其中包括三部分：电池内部的能量消耗、电池与空气的热对流模型和电池与电池之间的热传导模型。电池组中单体电池的温升计算公式如下：

式中，C为电池比热容；m为单体电池的质量；为电池的温度变化率；Q₀为电池内阻产生的热流量；Q_v、Q_d分别为热对流和热传导传递出去的热流量。

欧姆内阻R₀、极化内阻R₁和R₂产生电池内部的热流量，计算公式如下：

Q₀＝I²R₀+I₁ ²R₁+I₂ ²R₂ (2)

式中，I为电路总电流，I₁和I₂分别为支路1、2的电流。

电池与空气的热对流模型传递的热流量，计算公式如下：

Q_v＝h_conv·ΔT_v·A₁ (3)

式中，h_conv为热对流传热系数，取值范围为5～20；ΔT_v为电池与空气之间的温差；A₁为电池与空气的接触面积。

相邻电池之间的热传导模型传递的热流量，计算公式如下：

式中，ΔT_d为两单体电池之间的温差；A₂为单体电池外壳与绝缘板的接触面积；d₁、d₂、d₃分别为单体电池1的壳体厚度，绝缘板的厚度，单体电池2的壳体厚度；h_cond1、h_cond2为分别为单体电池壳体的热传导系数、绝缘板的热传导系数。

4)建立SOC估算模型，用于估算电池组的剩余容量。SOC估算采用安时积分法和充放电末端电压修正法。安时积分法估算SOC，结果偏差较大，在安时积分的过程中会出现累计误差，增加充放电末端电压修正可以修正安时积分法在积分过程中出现的累积误差，提高SOC估算的精度。计算公式如下：

式中，SOC₀为初始值；±代表充电时取正，放电时取负；C_N为电池的额定容量；k_i，k_t为C_N的电流修正系数和温度修正系数。

5)建立SOH估算模型，用于估算电池的循环寿命。计算电池每次的放电量和累计放电总电量，得到等效放电次数N的估算值，通过查找使用大量实验数据建立的N-SOH数据表，得到SOH值。其中计算公式如下：

式中，k₁，k₂，……，k_m分别为第1，2，……，m次放电的放电深度修正系数，可由每次放电末端电池的端电压测量值V来确定；C₁，C₂，……，C_m分别第1，2，……，m次的放电容量。

6)根据步骤2)中创建的模型库以及二阶RC等效电路图，先建立单体电池模块；再结合步骤3)中的热对流模型，步骤4)中的SOC估算模型和步骤5)中的SOH估算模型，建立单体电池二阶RC等效电路模型，得到单体电池的SOC、SOH估算值、端电压值；所述热对流模型的输入为环境温度，输出为环境与单体电池之间传递的热流量；所述SOC估算模型输入为充放电模型的充放电电流、单体电池的电压、单体电池的温度、SOC初始值，输出为单体电池的SOC估算值；所述SOH估算模型的输入为充放电模型的充放电电流、单体电池的电压，输出为单体电池的SOH估算值。

7)结合步骤3)中的热传导模型将步骤6)中的单体电池串联组成电池组模型；热传导模型输入为高温单体传递出的热流量，输出为传递给低温单体的热流量。也就是先建立单体电池的二阶RC等效电路模型，然后再根据单体电池的二阶RC等效电路模型建立电池组的模型。

8)建立电池组充放电模型，输出工况充放电电流。具体分为充电机模型和电机模型；充电机模型输入为控制策略中各单体电池温度的最大值、电池组SOC与充电电流的二维矩阵表，输出为充电电流；电机模型输入为各单体电池温度最大值、电池组SOC和电机运行工况，输出为放电工况电流。

9)根据步骤7)中的电池组模型和步骤8)中的充放电模型，建立充放电控制策略验证模型，充放电控制策略验证模型输入为环境温度和充放电电流，通过程序内部不断的迭代运算和查表运算，输出为电池组的各单体电池温度、充放电时间、电池组SOH、电池组SOC、电池组输出端电压。

10)将实际运行工况的电池组的充放电电流和环境温度作为输入参数导入验证模型，通过程序中不断的迭代运算和查表运算，得到电池组的输出端电压、温度、估算的SOC。综合考虑三个输出结果，来判定充放电控制策略中充放电倍率区间划分是否合理、倍率数值设置是否符合适当。

例如：72AH磷酸铁锂电池初始充电控制策略(环境温度30℃，SOC初值为10％)，1.0C(即充电电流为72A)恒流-恒压充电至3.65V，充电截止电流0.05C(即充电电流为3.6A)。但是使用本发明所建立模型仿真验证该策略时发现，1.0C恒流充电40min时电池电芯温度已经升高到50.5℃，此时电池未充满，而磷酸铁锂电池50℃以上是不允许进行1.0C充电的，说明该充电策略不合适，需要减小恒流阶段的充电倍率，降低电池的温升。其中，C代表电流倍率，是相对于电池的额定容量定义的值。例如：1.5C的电流，就是1.5*72＝108A。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)对电池HPPC测试数据进行电动势Em、内阻R0、极化内阻R1和R2、极化电容C1和C2的参数辨识，得到参数在不同SOC、温度、充放电倍率及循环寿命SOH下的四维矩阵表；其中，SOC在0～100％范围内变化，每次变化量5％；循环寿命SOH在100％～80％范围内变化；

2)利用Simscape语言和组件间的电气特性创建四维矩阵下单体电池的电动势Em、内阻R、极化电容C模型库；

3)依据热力模型，建立电池温度模型，其中包括三部分：电池内部的能量消耗、电池与空气的热对流模型和电池与电池之间的热传导模型；

4)建立SOC估算模型，用于估算电池组的剩余容量；SOC估算采用安时积分法和充放电末端电压修正法；

5)建立SOH估算模型，用于估算电池的循环寿命；计算电池每次的放电量和累计放电总电量，得到等效放电次数N的估算值，通过查找使用大量实验数据建立的N-SOH数据表，得到SOH值；

6)根据步骤2)中创建的模型库以及二阶RC等效电路图，先建立单体电池模块；再结合步骤3)中的热对流模型，步骤4)中的SOC估算模型和步骤5)中的SOH估算模型，建立单体电池二阶RC等效电路模型，得到单体电池的SOC、SOH估算值、端电压值；

7)结合步骤3)中的热传导模型将步骤6)中的单体电池串联组成电池组模型；热传导模型输入为高温单体传递出的热流量，输出为传递给低温单体的热流量；

8)建立电池组充放电模型，具体分为充电机模型和电机模型；充电机模型输入为控制策略中各单体电池温度的最大值、电池组SOC与充电电流的二维矩阵表，输出为充电电流；电机模型输入为各单体电池温度最大值、电池组SOC和电机运行工况，输出为放电工况电流；

9)结合步骤7)中的电池组模型和步骤8)中的充放电模型，建立充放电控制策略验证模型，输入为环境温度和充放电电流，通过程序内部不断的迭代运算和查表运算，输出为电池组的各单体电池温度、充放电时间、电池组SOH、电池组SOC、电池组输出端电压；

10)根据充放电控制策略验证模型的输出参数，来判定充放电控制策略中充放电倍率区间划分是否合理、倍率数值设置是否符合适当。

2.如权利要求1所述的基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，其特征在于：步骤3具体包括，

电池组中单体电池的温升计算公式如下：

式中，C为电池比热容；m为单体电池的质量；为电池的温度变化率；Q₀为电池内阻产生的热流量；Q_v、Q_d分别为热对流和热传导传递出去的热流量；

欧姆内阻R₀、极化内阻R₁和R₂产生电池内部的热流量，计算公式如下：

Q₀＝I²R₀+I₁ ²R₁+I₂ ²R₂ (2)

式中，I为电路总电流，I₁和I₂分别为支路1、支路2的电流；

电池与空气的热对流模型传递的热流量，计算公式如下：

Q_v＝h_conv·ΔT_v·A₁ (3)

式中，h_conv为热对流传热系数，取值范围为5～20；ΔT_v为电池与空气之间的温差；A₁为电池与空气的接触面积；

相邻电池之间的热传导模型传递的热流量，计算公式如下：

式中，ΔT_d为两单体电池之间的温差；A₂为单体电池外壳与绝缘板的接触面积；d₁、d₂、d₃分别为单体电池1的壳体厚度，绝缘板的厚度，单体电池2的壳体厚度；h_cond1、h_cond2分别为单体电池壳体的热传导系数、绝缘板的热传导系数。

3.如权利要求1所述的基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，其特征在于：步骤4中SOC估算采用安时积分法和充放电末端电压修正法，计算公式如下：

式中，SOC₀为初始值；±代表充电时取正，放电时取负；C_N为电池的额定容量；k_i，k_t为C_N的电流修正系数和温度修正系数。

4.如权利要求1所述的基于Simscape电池组模型验证电池充放电控制策略的方法，其特征在于：步骤5中等效放电次数N的计算公式如下：

式中，k₁，k₂，……，k_m分别为第1，2，……，m次放电的放电深度修正系数，可由每次放电末端电池的端电压测量值V来确定；C₁，C₂，……，C_m分别第1，2，……，m次的放电容量。