電池模型各種應(yīng)用 - 蓄電池仿真概述

　　汽車蓄電池模型不僅在設(shè)計領(lǐng)域有應(yīng)用， 在既成產(chǎn)品的性能評估方面也有著重要作用。更多人會關(guān)注電池模型的性能評估應(yīng)用， 并且決不僅限于汽車行業(yè)， 但是常常是只有少數(shù)的設(shè)計人員或是科研人員才會關(guān)心模型的設(shè)計應(yīng)用。借助于模型， 蓄電池設(shè)計人員可以研究各種設(shè)計方案對性能的影響，比如： 深放電對容量的影響， 內(nèi)阻與容量的非線性對應(yīng)， 使用溫度與壽命的關(guān)系， 電池欠充電狀態(tài)與長時間不充電對性能的影響， 靜態(tài)自放電影響， 放置時間與內(nèi)阻關(guān)系， 恒定放電深度與壽命次數(shù)的關(guān)系等。這些模型有不同的研究側(cè)重點， 也可以根據(jù)試驗數(shù)值建立模型數(shù)據(jù)庫， 向上這個數(shù)據(jù)庫可以做為系統(tǒng)級模型的準(zhǔn)確輸入， 向下可以對衍生品開發(fā)做一個對比模型， 甚至可以建立ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 但Sigmoid算法對輸入層的準(zhǔn)確度要求很高。

　　在混合動力HEV等交通工具中， 能源是核心問題， 能源的性能評估也是相當(dāng)?shù)闹匾?。像福特的ESCAPE、豐田的PRIUS等最新的HEV車， 工作原理都是使用蓄電池來提供能量， 并且得到相應(yīng)的能量補(bǔ)償，使蓄電池至始至終都維持在一個最高效的區(qū)域。其在混合動力車上作為能源的中間樞紐， 充電狀態(tài)SOC作為分配能量策略的核心參數(shù)和對決定"高效區(qū)"來說是相當(dāng)重要的。而如何評估SOC, 并且在ECU控制器中如何制定合理的用電策略， 依靠的就是一個實時的個體級數(shù)學(xué)模型的建立。

　　在UPS和航天電池、潛艇電池中， 電池模型的應(yīng)用也有很大前景。股票證券業(yè)、汽車設(shè)計的數(shù)據(jù)管理都需要一個可靠性能的"不間斷" 電池做支持， 時間就是一個很重要的參數(shù)了。如何評估電池并且在斷電時實時監(jiān)視， 抗負(fù)載突發(fā)需求是相當(dāng)重要的?？煽康谋O(jiān)視策略和準(zhǔn)確的模型是分不開的，特別是充放電SOC比率曲線與內(nèi)阻對性能影響的測算。航天電池通常可以維持一年以上， 所以一個傾向于可以測算自放電、老化、能量消耗速度及內(nèi)部極板生長等的模型是十分必要的。

　　3 電池仿真技術(shù)與實現(xiàn)

　　3.1 軟件實現(xiàn)技術(shù)

　　歐洲一些研究機(jī)構(gòu)使用MATLAB或ANSYS等軟件對民用電池進(jìn)行仿真。德國寶馬和美國通用使用SABAR等數(shù)學(xué)分析軟件建立汽車鉛酸式蓄電池仿真模型。有些簡易的充放電電池模型也可以用框圖式軟件SIMULINK等完成。而蓄電池越來越復(fù)雜的模型應(yīng)用需求， 常常要求有電池專門特點的一些工具箱或是專門軟件。例如BATTERY DESIGN STD公司開發(fā)的電池設(shè)計軟件， 其使用VC++編寫， 用戶環(huán)境界面十分友好， 如圖6所示。

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　　圖6 環(huán)境測試中耐久性試驗的仿真參數(shù)曲線( 電池設(shè)計軟件界面)

　　這些軟件可以對電池模擬出各種溫度環(huán)境， 圖6為環(huán)境測試中耐久性試驗( ABUSE) 的仿真參數(shù)曲線。而且可以自定義放電情況， 自定義充電狀態(tài)， 自定義測試循環(huán)組合的試驗， 并提交試驗結(jié)果。圖7為作者用仿真軟件進(jìn)行的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件界面。

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　　圖7 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件界面

　　3.2 電池數(shù)學(xué)模型介紹

　　在許多的模型開發(fā)軟件中， 框圖是基本表示方法， 例如LABVIEW7.0, MATLAB6.0等， 而框圖內(nèi)部實質(zhì)就是"數(shù)學(xué)" (MATH) .在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中的電池"數(shù)學(xué)"是不同的， 例如汽車行業(yè)的供電系統(tǒng)， 常常關(guān)注電池的電壓與電流、SOC充電狀態(tài)。下式是著名的Shepherd模型， 發(fā)表于1965年，反映了電壓的估算：

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　　式中： E---電池電壓; Es---恒定電動勢;k---極化因素對電壓的影響系數(shù); Q---活性物質(zhì)可用數(shù)量; J---電流密度(單位面積電流強(qiáng)度) ;R---電池假定內(nèi)阻。

　　這也是最簡單、最早期的蓄電池模型， 從此簡單模型來看， 反映了極化壓降與板間活性物質(zhì)的一個基本關(guān)系。而電池的極化是復(fù)雜的， 各種因素都可能影響正負(fù)離子的擴(kuò)散移動， 比如濃度極化作用， 電化學(xué)極化作用， 電阻極化作用等， 此公式用簡單的活性物質(zhì)數(shù)量Q概括了極化的壓降產(chǎn)生， 有一定的片面性。并且此模型不太適合于充電情況，因為此模型并沒有考慮充電時的起泡壓降， 實際情況中的電流密度J值也不是像模型理想化恒定的，而是隨著應(yīng)用情況而變動的。影響蓄電池的重要因素溫度T變量也沒有被考慮進(jìn)去?？傊?此簡易模型只能用于粗略的定性分析問題， 不能作定量分析， 比如整車設(shè)計前的電量應(yīng)用策略的基本分析，和應(yīng)用于一些對整車開發(fā)有低成本要求的項目。同時也說明了精確的電池模型是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。

　　電池建模中， 一方面SOC是應(yīng)用范圍最廣的數(shù)據(jù)， 和用戶使用被供電系統(tǒng)的舒適程度有很大關(guān)系; 另一方面SOC的提法本來就有一定的不嚴(yán)密性。在電池考核標(biāo)準(zhǔn)中通常有很多充放電循環(huán)試驗， 例如EN50342等， 我們常常會發(fā)現(xiàn)比如一個44 Ah的BOSCH電池在啟動試驗中150 A電流只能維持8 min, 理論SOC為45.5%, 但實際為0%, 當(dāng)然這是極限工況， 但也能說明SOC自身的缺點。所以一些電池開發(fā)人員摒棄了不太嚴(yán)密的SOC的概念，從而產(chǎn)生了一些以電量或稱能量為基礎(chǔ)的模型， 筆者例舉下面簡單模型來說明此設(shè)計思想。

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　　式中： Q---從滿電量到實際容量所釋放的總電量; I---放電、充電電流; Igas---起泡電流;ISD---自放電電流; Qo---試驗電池(模型) 在試驗前已釋放電量。

　　此模型突破了SOC的定義局限， 但是根據(jù)公式也可以輕易算出SOC數(shù)值。ISD的引入方便了計算自放電對電池的影響， 例如在汽車生產(chǎn)與銷售中， 電池維護(hù)就需要一個良好的靜放電性能， 在上海汽車的電池維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中， 要求從注酸日算起到整車生產(chǎn)線最多8星期內(nèi)SOC大于95%.公式中同樣也應(yīng)用了起泡概念， 因為起泡也對蓄電池性能影響很大， 比如水耗等?？梢钥闯龉街械姆e分類似于庫侖定律的計算， 電流正時表示充電， 電流負(fù)時為放電， 算出了整個電池的放電電量。

　　對于壽命模型， 美國馬薩諸塞州立大學(xué)新能源研究所( Massachusetts, RERL) 提出了雨流法( rainflow algorithm) 及其改進(jìn)方法來預(yù)測電池壽命，而在飛機(jī)制造業(yè)中和CAE分析中常常用到此方法來計算疲勞損傷， 方程式如下：

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　　式中： CF---至故障循環(huán)次數(shù); ai---固定系數(shù); R---SOC放電深度分?jǐn)?shù)。

　　放電深度不同， 電池壽命也不同， 放電深度不同， 當(dāng)然對電池造成"損傷"不同。此模型也解釋了為什么深放電總是對電池不利的原因。計算系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的方法常常有峰值法、變程計數(shù)法、雨流法，而雨流法易于程序化和其特有的半循環(huán)轉(zhuǎn)化精確性， 因此筆者選擇了它。這種算法把混亂循環(huán)轉(zhuǎn)化為規(guī)則的循環(huán)次數(shù)， 讓使用者能非常容易地掌握模擬試驗的情況。

　　蓄電池在設(shè)計時， 針對各種考量指標(biāo)有不同的模型。不僅對于電壓、電流、SOC有其特有模型，其它性能常常也需要模型， 比如免維護(hù)電池的重要設(shè)計概念之一就是水耗， 怎樣防止氫氧的產(chǎn)生、水耗和起泡電流之間的模型， 還有密度、內(nèi)阻模型等。電池使用壽命的計算模型是一種較為復(fù)雜的模型， 要考慮到極化等， 反過來從模型中極化的程度也能推論出維護(hù)電池的方法， 比如脈沖電壓充電模式能增加電池壽命等?？傊疀]有一個模型是可以概括出電池所有特性與參數(shù)的。

　　4 總結(jié)

　　在電池模型建立中， 往往是沒有一個模型可以概括所有的變量， 各公司都有其各自的需要， 各個應(yīng)用領(lǐng)域都有相應(yīng)的模型。