基于Simulink的动力锂离子电池建模研究

肖岩，龚春忠，张洪雷



基于Simulink的动力锂离子电池建模研究

肖岩，龚春忠，张洪雷

（浙江合众新能源汽车有限公司试制试验部，浙江 嘉兴 314000）

建立高精度的电池模型对于电动汽车动力锂电池的应用研究有重大意义。为更适应电池的应用领域，电池模型经历多代发展，形成了庞大的电池模型体系。文章将电池模型的发展做了总结归类，并基于Simulink构建了一种改进的GNL模型，为电池模型的继续进化打下基础。

电池模型；纯电动汽车；GNL模型

前言

能源危机与环境污染问题日趋严重，节能和环保已成为当今世界的主题。锂电池以其能量密度高、自放电率低、污染小等特点，迅速在手机、电动工具等领域得到了大规模应用。1991年日本索尼(Sony)公司首先实现了锂离子电池的商业化，其正极材料为 LCO，负极材料为石墨。1996 年 Goode -nough 与 Padhi 等开发出了橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料，1998 年Zaghib 展示了以钛酸锂为负极材料的锂离子电池，1999 年 Liu Zhaolin 合成了三元锂正极材料[1]。2013年上海复旦大学吴宇平教授课题组发明的新型水溶液可充锂电池的能量密度比普遍采用的有机电解质的动力锂离子电池要高出了80%[2]。2016年山东奥冠与华高墨烯就共建“石墨烯电池工程技术中心”，石墨烯作为负极能支持更高倍率充电以及更长寿命[3]。

随着各种正负极材料的不断开发、改进和商业化，锂离子电池的性能不断提高。然而，作为纯电动汽车的动力锂离子电池，现有电池模型已不足满足设计开发应用的需求。本文总结了电池模型经历的发展过程，并在此基础上基于simulink建模构建一种实用的电池模型，并进行功率拉载仿真测试。实测表明，该模型更可靠精确，且相对于S函数建模法更具有健壮的可成长性，为后续改进模型提供参考。

1 电池模型的发展概述

电池模型主要有电化学模型和电气模型两大类[4,5]。其中电化学模型是指建立电池的化学反应机理，主要用于优化电池的设计结构，计算电池的温度等参数。但是这类模型的结构复杂，模型参数受到电池材料、形状、电解液成分等影响，很难准确计算，不适合用于控制设计[6]。

电气模型是指利用电气元件组成的电路，包括电压源、电流源、电容、电感、电阻等，来模拟电池的动态工作特性，电气模型又叫做等效电路模型[7]。因为使用电气元器件，此类模型很适合结合电路进行仿真计算，计算结果也比较容易通过数学方程表示出来，方便分析和应用。

电池电气模型经历了4代发展，随着电池模型越来越复杂，在纯电动汽车动力电池领域需要的高精度电池模型越来越实用。因为模型越复杂，其计算量越大，复杂的电池模型通常仅应用于动力电池领域，第1代与第2代的电池模型则常应用于电路分析中。各代电池电气模型及其特点如表1所示。

本文对GNL（eneral Nonlinear，通用非线性）模型进行Simulink建模，为了后续模型参数修改便捷性，本文使用控制系统框图对电池GNL模型进行建模。该模型属于第4代电池电气模型，具备自放电率特点，可精确仿真电池动态响应。

表1 各代电池电气模型特点

2 GNL模型的Simulink建模

GNL（General Nonlinear，通用非线性）模型是对PNGV模型的改进与推广。U0是电源的开路电压，两个并联的RC网络用来描述充放电累积引起的电池端电压的变化，Rser表示电池的欧姆内阻，Rsd表示电池的自放电电阻。该模型可以模拟电池的欧姆极化、电化学极化、浓差极化和电池自放电现象。使用状态方程可以描述该模型，但对于电池电压、欧姆电阻、自放电电阻可根据当前电压、电流、温度状态而变化的情况，使用状态方程描述不便于观察与控制。因此，本文基于基尔霍夫定律与各电路元器件方程，构建了模块化的GNL电池模型。

图1 GNL模型电器结构

2.1 基尔霍夫第一定律

根据基尔霍夫第一定律，图1可获得如下方程：

2.2 基尔霍夫第二定律

根据基尔霍夫第二定律，图1可获得如下方程：

2.3 各电路元器件方程

图1所示电路中，总共有2个电容器，5个电阻。根据每个元器件的电路特性，可得如下方程：

电化学极化电容：

电化学极化电阻：

浓差极化电容：

浓差极化电阻：

电池欧姆电阻：

电池漏电电阻：

模拟负载：

3 Simulink建模

根据方程1~12，调整输入输出及位置，在Simulink中可构建如图2（a）所示的模块，再经过连线，可获得图2（b）所示的电池Simulink模型。

图2 a）调整位置与输入输出 图2 b）连接成系统

4 功率拉载仿真

4.1 数据初始化

图2b）所示的模型需要输入一系列初始化数据，模型才能工作。根据某锂电池特点，其初始化数据如下：

4.2 仿真结果

将数据导入模型中，并输入一个动态的负载，可获得模型仿真电池的输出电压与输出电流。导入的动态负载，当阻值高于漏电电阻10倍时，可近似认为电池处于开路状态。仿真时长为20s，在第10s时负载从开路状态变为10Ω拉载。负载、电压、电流、功率的仿真结果如图3所示。

图3 a）仿真结果负责阻值与输出电压

图3 b）仿真结果输出电流与 输出功率

4.3 建模工具对比分析

使用Simulink建模的优点是：建模方便直观，且易于各种模型之间的调整比较。使用simulink工具做系统分析，简便快捷，但灵活性稍差。尤其是多电池串并联且参数差异的情况，模型输入输出框架搭起来麻烦。使用Simulink建模相对于使用simscape而言，建模过程复杂，但灵活度高；相对于面向对象的直接编制m文件而言，建模过程简单，但灵活度低。三者在建模难以程度与模型灵活性上对比如图4所示。

图4 电池建模难度与灵活性对比

5 结论

传统的电池模型、各类改进的电池模型很多，主流的形式的使用状态方程建模。至今已经发展到第4代电池模型。模型的计算量越来越大，复杂度越来越高。随着人工智能技术的发展，逐渐出现第5代电池模型：电池的自学习模型。但因其计算量及数据量需求大，在工程分析时主要还是使用GNL模型。该类模型在温度仿真、寿命仿真、荷电状态修正上有进一步的优化。使用Simulink建模，在灵活性上优于Simspace，所以后期增加的仿真功能将更易于在此基础上搭建。而Simulink具有模块化特点，相对于面向对象的m文件建模，模型建立较为容易又成为主要优点。综合考虑，在模型分析阶段， Simulink建模更有优势。

[1] 韩雪冰.车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D].清华大学,2014.

[2] http://news.fudan.edu.cn/2013/0314/32823.html.

[3] http://www.sohu.com/a/101398136_117058.

[4] 卢居霄,林成涛,陈全世,韩晓东.三类常用电动汽车电池模型的比较研究[J]. 电源技术,2006(07):535-538.

[5] Peng Rong; Massoud Pedram. An Analytical Model for Predicting the Remaining Battery Capacity of Lithium-Ion Batteries. IEEE Trans.VLSI Syst. 2006-06-15.

[6] 付江成,胡松利,王勇,何炳林.电池自放电率检测分选系统的研究[J]. 现代电子技术,2006(16):158-159+163.

[7] 贾玉健,解大,顾羽洁,艾芊,金之检,顾洁.电动汽车电池等效电路模型的分类和特点[J].电力与能源,2011,32(06):516-521.

Modeling of power lithium ion battery based on Simulink

Xiao Yan, Gong Chunzhong, Zhang Honglei

（Zhejiang Hozon New Energy Automobile Co., Ltd. trial production test department, Zhejiang Jiaxing 314000）

The establishment of high precision battery model is of great significance for the application research of electric vehicle power lithium battery. In order to adapt to the field of battery application, battery model has experienced many generations of development, forming a huge battery model system. In this paper, the development of battery model is summarized and classified, and an improved GNL model based on Simulink is built, which lays the foundation for the continuous evolution of battery model.

Battery model; pure electric vehicle; GNL model

A

1671-7988(2018)22-14-03

U469.7

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1671-7988(2018)22-14-03

U469.7

肖岩，就职于浙江合众新能源汽车有限公司，学士学位，中级工程师，新能源汽电控策略设计。龚春忠，就职于浙江合众新能源汽车有限公司，学士学位，初级工程师，新能源汽车动力性经济性测试。张洪雷，就职于浙江合众新能源汽车有限公司，学士学位，中级工程师，新能源汽车整车研发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.005