电动汽车动力电池包仿真模型设计

文章来源：1.东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司 2.国家电网大连供电公司

随着社会经济的发展，不可再生能源的消耗、环境污染问题接踵而至，新能源电动汽车已成为全球车企及科研机构的重点研究对象。其中新能源汽车的动力电池包是动力源，其包含了多个单体电池、线束、继电器和结构件。由于电池包的复杂性和不一致性，导致每个电池包的价格不菲。为了能在节省开发支出的前提下得到动力电池包的特性，需要在设计之初就要有动力电池包的仿真模型。本文提出了一种基于Matlab/Simulink 的仿真设计方案。

通过本文的仿真方案，可以提前设计出预充电阻选型、继电器选型、高压上电时间。完成设计之后还可以验证热管理参数、电池特性、电池管理系统（Battery Management System,BMS）策略。

1 功能设计

1.1 Matlab/Simulink 仿真系统

Simulink 是以Matlab 为基础的可视化建模仿真工具，可对动态系统进行建模仿真，包括连续、离散、单速率、多速率、事件驱动和混合系统等。同时具有面向不同领域的Simulink模型库（Blocksets），包括航空航天库、控制系统、信号处理系统、通讯系统、机/电/液物理系统模型。用户也可构建自己的模型库，或将已有的Matlab、C/C++、Fortran 函数封装成Simulink 模块。

1.2 高压回路

本文采用的电池包高压回路如图1 所示。

高压回路包含电池组、预充电阻、预充继电器、主正继电器、主负继电器、电机电容、电机主动泄放电阻和被动泄放电阻。在电池组放电时，需要先闭合预充回路（预充继电器和主负继电器闭合），待电机电容两侧的电压达到95%的电池组电压认为预充完成，然后再断开预充回路，闭合主回路进行放电操作。

1.3 功能模块

本文主要设计如下几个功能模块。

1.3.1 电池组模型

（1）根据电池电流的变化，输出单体电压，随着电池的充放电，电池单体电压会跟随升高或降低。

（2）根据温度变化，输出单体电池的容量，温度不同时，电池的容量是不同的，这是电池的特性之一。

（3）根据电池电流的变化、热交换因子和外界环境，输出电池温度。随着电池的充放电，电池自身会发热，而电池包具有热管理功能，对电池的热量进行传导散热。综合考虑各种因素仿真出电池的实时温度。

（4）根据电池的使用时间，输出每个单体电池的健康状态（State of Health, SOH）值；电池SOH与电池使用时间息息相关，同时电池的滥用也会导致SOH 的降低。

（5）根据电池电流和温度，输出单体电池荷电状态（State Of Charge, SOC）。电池的SOC 是与电池的温度和充放电相关的。

（6）加入均衡电阻模型，可实现均衡仿真，均衡电阻的温度也可根据均衡时间的增加而变化；均衡电阻是BMS 的功能，通过均衡电阻来使电池组内的每个单体电池的电压趋于一致性。

1.3.2 继电器模型

（1）可设置继电器的动作时间；高压继电器的动作时间较长，一般为30 ms～50 ms，此时间是策略设计的重要参数。

（2）根据动作电流的变化继电器的使用寿命降低；高压继电器的寿命曲线是与动作次数和滥用次数相关的，模型需要能实时输出继电器的寿命。

（3）随着动作次数增加，继电器使用寿命降低。

（4）可设置继电器的内阻来仿真“似连非连”的黏连状态，此为继电器的故障模式之一，属于假性黏连。

（5）可设置无法闭合和黏连故障、非预期切断的故障模式，此为继电器的故障模式，需要模型具备仿真功能。

1.3.3 电机模型

（1）可设置电机电容参数，包括容值和时间。电机电容是高压上电的重要参数之一，其容值和时间可决定选择不同的预充电阻和预充继电器。

（2）可设置被动泄放电阻和主动泄放电阻阻值。电机具备主动泄放和被动泄放电阻，此电阻也是BMS 检测高压的重要回路之一。

（3）可自动实施被动泄放和主动泄放的策略。当高压下电完成后，电机要进行主动泄放，一般在200 ms 内就会泄放到安全电压。当主动泄放出现故障时，会切换到被动泄放，泄放时间较长。

2 模型设计

2.1 电池组模型设计

本文的电池组模型采用二阶RC 模型，二阶RC 模型如图2 所示。

其中模型中的参数获取途径有两个：电池厂获取和测试。本文的参数获取是通过测试的方法获取。具体测试方法在很多文章中都有说明，这里不再赘述。

单体电池模型通过Simulink 实现图2 的电池模型，其中的电池参数采用查表方式得到，简化模型如图3 所示。

上述模型是一个单体电池的模型，由于电池组往往是由成百上千个单体电池组成，在单体电池的外围模型需要加入串联数，可根据每个电池包的需求而设置。

2.2 继电器模型

在本文的高压回路中，采用了2 个主继电器和1 个预充继电器。高压继电器的主要功能是电池组高压的通断，当发生电池组故障时通过断开继电器来切断高压回路。

继电器模型实现三个功能：（1）高压回路通断；（2）继电器寿命预测；（3）继电器故障诊断。

高压回路通断功能需要用到Matlab 的Simscape功能。模型需要实现闭合指令发出后，高压回路导通；断开指令发出后，高压回路断开。模型如图4 所示。

继电器寿命预测模型是利用继电器的寿命曲线通过表格的方式实现归一化。模型如图5 所示。

继电器故障诊断模型是实现继电器的黏连、非预期切断、无法闭合的故障检测。模型如图6所示。

2.3 电机模型

电机模型实现的是与电池包相关的功能：预充和泄放。预充的主要作用在于通过在回路中串电阻的方式对电容性负载进行充电，避免通过开关直接闭合回路对容性负载进行充电[4]。当预充电压达到了电池组电压的95%认为预充成功；而泄放是当切断继电器后，由于电机的电容存在，电容仍有高压存在，此时需要用到被动或主动泄放功能。模型如图7 所示。

3 仿真

为了验证此模型的功能，本文导入了某个现有项目的电池参数和X 电容参数。对于继电器模型本文只仿真了通断功能，应用到了电机模型中仿真得出了图11 的预充曲线。X 电容为630 μF，电池参数如表1—表5 所示。

本文导入了一个电流工况，如图8 所示。

得到的最大单体电压变化，如图9 所示。

从图中可以看出欧姆内阻、极化电容和浓差电容对电池电压变化的影响，符合锂电池的电化学特性。

最高单体电池温度如图10 所示。

从图中看出温度是跟随运行时间的增长而升高的，但是此温度只是仿真电池受电流的影响，并未加入电池组结构和环境的影响，这是后期需要优化的地方。

高压回路的预充曲线如图11 所示。

从图中可以看出外部高压的变化，由于预充电容的影响在闭合继电器的初期是给电容充电，此时的高压是在缓慢变化的。当预充电压达到电池组总压的95%时预充完成，外部总压上升到与电池组总压相同。

4 结论

电池包仿真模型可以模拟电池电压和温度变化，高压回路电压的变化，在项目的设计初期可以得到很好的应用。