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摘要： 本文研究分析了一种基于Simscape的锂电池建模方法。通过Simscape语言建立二阶RC等效电路模型中各个组件的物理模型，然后在Simulink环境中按照等效电路中各组件的物理连接关系搭建锂离子电池的二阶 RC等效电路模型，模型将考虑温度对电池的影响，模型验证结果表明，该方法所建模型能够准确地反映电池的动静态特性。
关键词： 锂电池; 计算机仿真; 电池建模; Simscape
中图分类号： TM732 文献标识码： A
Abstract： This paper studies and analyzes a lithium battery modeling method based on Simscape. The physical model of each component in the first-order RC equivalent circuit model is established by Simscape language， and then the first-order RC equivalent circuit model of the lithium-ion battery is built according to the physical connection relationship of the components in the equivalent circuit in the Simulink environment. The model will be considered. The effect of temperature on the battery， model verification results show that the model built by this method can accurately reflect the dynamic and static characteristics of the battery.
Key words： lithium battery; computer simulation; battery modeling; Simscape
1 引言
常见等效电池模型描述磷酸铁锂动力电池不够全面，就需要找到一个近似度高，结构简单，参数方便获得的动力电池模型且基于前面研究的磷酸铁锂电池特性。其中近似程度高的判断标准是相对于电池的外特性而言的，外特性实际上就是磷酸铁锂电池在工作过程中所表现出来的伏安特性[1]。
电动汽车在运行过程中，内部的参数随着外界的环境温 度跟SOC动态改变。目前大多数的电池模型要么考虑的参数不够全面，要么考虑参数的影响因素不够完整，在考虑参数影响因素，要么只考虑SOC的单方面影响，要么考虑温度的单方面影响，很少将SOC跟温度统一考虑。图1所示为为电压UOC温度等函数关系图[2]。
2 模型建立
锂离子电池电压源包括端电压跟开路电压，当电池静止一定时间后，端电压就等于开路电压。目前新能源汽车大部分以磷酸铁锂电池为动力电池，他们内部涉及参数有欧姆电阻R0跟极化电阻，还有极化电容，同时极化电阻又可以细分为电化学极化电阻跟浓度差极化电阻;极化电容可以细分为电化学电容跟浓度差极化电容[3]。为了充分考虑电池在工作状态下发生化学反应涉及的参数和等效电路Thevenin模型，如圖2所示。
本文提出一种在Thevenin模型基础进行改进，用两个二阶RC回来分别表示内部的电化学极化现象、浓度差极化现象，模型中的参数如：R0、Rs、Rp、Cs、Cp不变的模型参数用受到温度跟SOC影响的动态参数来表示。因此本文在Thevenin等效模型的基础上，综合考虑温度跟SOC对系统参数的影响，建立一个动态的二阶Thevenin模型。模型描述如图1所示，Uocv（SOC，T）表示电池的开路电压，R0（SOC，T）表示欧姆内阻，电池内部的电极化现象用极化电阻Rs（SOC，T）跟极化电容Cs（SOC，T）并联来描述，浓度差极化现象用极化电阻R（SOC）跟极化电容C并联来表示。
3 仿真分析
仿真结果如图3所示
电池仿真电压与实际电压波形几乎吻合，趋势一致。尤其在放电时间8000s-25000s放电平台区，两条曲线几乎重合。每个放电初期，电池欧姆电阻引起的电压的陡降过程两条曲线也很吻合，但是在电池放电的暂态过程仍然有一些不拟合，这个是因为极化现象描述还有一些不清晰，各参数的辨识还存在一些误差。在32000s之后仿真端电压出现大幅度偏离电池两端的实际电压，由此得到该模型在模拟电池深度放电情况仍有一些不足。总体而言电池在正常工作状态下，考虑温度的二阶动态Thevenin模型可以很好的模拟锂离子电池的工作特性，具有很高的精度。
参考文献：
[1]黄 顺. 基于行驶工况的锂电池系统循环寿命预测研究[D]. 湖南大学，2018.
[2]程宇菥. 锂电池电量检测系统设计[D]. 电子科技大学，2014.
[3]高奇文. 动力锂电池管理系统的均衡技术及其优化[D]. 电子科技大学，2016.
作者简介：
关庆庆，安徽合肥人，硕士研究生，从事电池均衡方面研究。
收稿日期：2019-02-15
关键词： 锂电池; 计算机仿真; 电池建模; Simscape
中图分类号： TM732 文献标识码： A
Abstract： This paper studies and analyzes a lithium battery modeling method based on Simscape. The physical model of each component in the first-order RC equivalent circuit model is established by Simscape language， and then the first-order RC equivalent circuit model of the lithium-ion battery is built according to the physical connection relationship of the components in the equivalent circuit in the Simulink environment. The model will be considered. The effect of temperature on the battery， model verification results show that the model built by this method can accurately reflect the dynamic and static characteristics of the battery.
Key words： lithium battery; computer simulation; battery modeling; Simscape
1 引言
常见等效电池模型描述磷酸铁锂动力电池不够全面，就需要找到一个近似度高，结构简单，参数方便获得的动力电池模型且基于前面研究的磷酸铁锂电池特性。其中近似程度高的判断标准是相对于电池的外特性而言的，外特性实际上就是磷酸铁锂电池在工作过程中所表现出来的伏安特性[1]。
电动汽车在运行过程中，内部的参数随着外界的环境温 度跟SOC动态改变。目前大多数的电池模型要么考虑的参数不够全面，要么考虑参数的影响因素不够完整，在考虑参数影响因素，要么只考虑SOC的单方面影响，要么考虑温度的单方面影响，很少将SOC跟温度统一考虑。图1所示为为电压UOC温度等函数关系图[2]。
2 模型建立
锂离子电池电压源包括端电压跟开路电压，当电池静止一定时间后，端电压就等于开路电压。目前新能源汽车大部分以磷酸铁锂电池为动力电池，他们内部涉及参数有欧姆电阻R0跟极化电阻，还有极化电容，同时极化电阻又可以细分为电化学极化电阻跟浓度差极化电阻;极化电容可以细分为电化学电容跟浓度差极化电容[3]。为了充分考虑电池在工作状态下发生化学反应涉及的参数和等效电路Thevenin模型，如圖2所示。
本文提出一种在Thevenin模型基础进行改进，用两个二阶RC回来分别表示内部的电化学极化现象、浓度差极化现象，模型中的参数如：R0、Rs、Rp、Cs、Cp不变的模型参数用受到温度跟SOC影响的动态参数来表示。因此本文在Thevenin等效模型的基础上，综合考虑温度跟SOC对系统参数的影响，建立一个动态的二阶Thevenin模型。模型描述如图1所示，Uocv（SOC，T）表示电池的开路电压，R0（SOC，T）表示欧姆内阻，电池内部的电极化现象用极化电阻Rs（SOC，T）跟极化电容Cs（SOC，T）并联来描述，浓度差极化现象用极化电阻R（SOC）跟极化电容C并联来表示。
3 仿真分析
仿真结果如图3所示
电池仿真电压与实际电压波形几乎吻合，趋势一致。尤其在放电时间8000s-25000s放电平台区，两条曲线几乎重合。每个放电初期，电池欧姆电阻引起的电压的陡降过程两条曲线也很吻合，但是在电池放电的暂态过程仍然有一些不拟合，这个是因为极化现象描述还有一些不清晰，各参数的辨识还存在一些误差。在32000s之后仿真端电压出现大幅度偏离电池两端的实际电压，由此得到该模型在模拟电池深度放电情况仍有一些不足。总体而言电池在正常工作状态下，考虑温度的二阶动态Thevenin模型可以很好的模拟锂离子电池的工作特性，具有很高的精度。
参考文献：
[1]黄 顺. 基于行驶工况的锂电池系统循环寿命预测研究[D]. 湖南大学，2018.
[2]程宇菥. 锂电池电量检测系统设计[D]. 电子科技大学，2014.
[3]高奇文. 动力锂电池管理系统的均衡技术及其优化[D]. 电子科技大学，2016.
作者简介：
关庆庆，安徽合肥人，硕士研究生，从事电池均衡方面研究。
收稿日期：2019-02-15