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纯电动汽车动力电池管理系统五部曲之二：单体电池建模研究
2022-03-04 19:09:05· 来源：汽车电子设计
第二篇 单体电池建模研究纯电动汽车的主要能量来源为动力电池系统，其性能直接影响整车的经济性、动力性和可靠性。电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电
第二篇 单体电池建模研究
纯电动汽车的主要能量来源为动力电池系统，其性能直接影响整车的经济性、动力性和可靠性。电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动，而作为衔接电池组、整车系统和电机的重要纽带，电池管理系统(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能够有效提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，并且延长电池的使用寿命，监控电池组及各电池单芯的运行状态，有效预防电池组自燃，实现突发事件预警，为保障安全赢得时间。
笔者在梳理电池管理系统开发过程中的关键技术，为动力电池管理系统设计，测试生产提供理论基础。计划分为5个篇章来整理电池管理系统的开发中关键技术，今天首先聊一下第二篇章单体电池建模研究及模型参数。
图1 电池管理系统开发过程中的关键技术
单体电池模型用以模拟电池动力学特性动态电池模型，是设计高效可靠的电池管理系统（Battery Management System）的基础。鉴于等效电路模型简单的结构，良好的动态响应特性，以及状态空间方程易于求取的优点，因此非常广泛的应用于纯电动汽车电池管理系统的研究领域中。
不同单体电池模型对比
建立单体电池等效电路模型，将模型与电池辨识参数进行配比，同时利用辨识工具完成参数识别，分析电池端电压在不同工况下的动态响应，并逐步改进电池等效电路模型，提高电池精度，为后期电池状态估计（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基础。
图2 不同单体电池模型对比
通用电池参数确定
参数确定采用三种不同的电流激励，第一个是重复的放电脉冲工步直到电池放电结束，第二个是重复的 HPPC 脉冲工步直到电池放电结束，第三个是改进的 HPPC 脉冲工步，在单个工步中增加不同倍率电流激励，重复该脉冲工步直到电池放电结束。
模型参数确认不能简单的与辨识工况进行对比，还需要复杂的运行工况来验证辨识参数的精度和可靠性。复杂的运行工况包括DST工况、NEDC工况和UDDS工况，使用这三种不同工况对比来验证模型以及参数辨识的可靠性。
参数的确定方法：通常采用Simulink库里的 Simscape 中对应的实际物理元件模块，搭建真实硬件系统的仿真系统，类似与HIL（Hardware in loop），输入信息为动力电池试验电流，试验电压，SOC数据，同时每组输入10℃、25℃、40℃三种不同温度下的实验数据，利用实验电流控制电流源对电池模型进行充放电激励，利用电压传感器采集电池模型的端电压与电池实验进行对比。
图3 通用电池参数确定方法
通用电池参数的优化改进
如图4是单个HPPC脉冲响应曲线。
图4 电池HPPC脉冲响应图
根据电池模型的响应曲线我们可以知道，电池模型在大电流下、在充放电末期容易产生较大误差，对在相同 SOC 时刻，同样RC参数的值很难同时满足不同倍率充放电曲线拟合，且电池内阻在充放电时也会有差异，因此建议在调整SOC索引查找时，0%-10%区间SOC间隔 0.01，10%-20%、90%-100%区间SOC间隔 0.05，其他区间SOC间隔 0.1。
HPPC试验过程时间大概83000s，每1s都会记录电压变化。HPPC中每5% SOC变化，需要静置1小时，可以考虑删除1小时的数据，以此提高数据准确性。
总结：建立单体电芯模型时，需要选择准确的参数评估模型，我们通过对比不同辨识数据对电池模型辨识精度的影响，在考虑精度与复杂度的情况下，分析二阶RC模型的外特性曲线，可以为后续的工程技术人员提出两点优化建议：
① 合理设置SOC的间隔，尤其在SOC较低和较高的区间内。
② 分析实验数据时，简化数据量提高准确率。
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