基于Simscape的动力锂离子电池的建模与仿真

研究与设计
基于 Simscape 的动力锂离子电池的建模与仿真
李 争 1， 高 越 1， 王群京 2 (1.河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 050018；2.安徽大学 高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室，
安徽 合肥 230601)
摘要：随着电动车的普及，动力锂离子电池的研究受到人们的重视，建立精确的锂离子电池模型对动力锂离子电池的研
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2017.11 Vol.41 No.11
研究与设计
常用的等效电路模型有 Rint 模型、Thevenin 模型、RC 模 型和 PNGV 模型等。通过综合对比各个模型的优缺点，本文选 取最适合 Simscape 建模的多 RC 等效电路模型。模型结构如 图 1 所示。电压源 m 表征电池的开路电压；电阻 0 表征当电 池加上外加负载后端电压的压降特性，影响充放电脉冲开始 和结束的瞬间电压的突变；一串 RC 电路表征电池时间常数和 频率响应等特性， P 和 P 表征电池内部由于电化学反应产生 的一些寄生电容或是电阻[5]。
1 锂电池等效电路模型
在利用 Simscape 模块搭建锂离子电池的模型前，需要先 选取适合的锂离子电池等效电路模型。等效电路模型在动力 锂离子电池的建模研究中应用十分广泛。锂离子电池的等效 电路模型由电容、电压、受控电压源、受控电流源等电路元件 组成，可以高效地模拟电池的动态特性[4]。由于等效电路模型 可以适应锂离子电池的各种工作状况，且计算简单，可以和其 他方法相互兼容，而且在模型中可加入温度因素对锂离子电 池特性的影响。
中图分类号：TM 914
文献标2017)11-1533-04
Modeling and simulation of power lithium ion battery based on Simscape
LI Zheng1, GAO Yue1，WANG Qun-jing2
电池单元建模的方法有很多，神经网络模型、Simulink 模 型、Simscape 模型等。和其他建模方法比，使用 Simscape 搭建 出来的电池单元模型，可以非常方便地进行扩展，很容易集成 到更大的电路系统，比如电池成组系统及整车系统实验[3]。本 实验利用 Simscape 模块对电池模型进行搭建，仿真该模型在 不同充放电情况下的运行情况可得出电池单体的电流、电压、 温度及 SOC 随时间变化的数据。该模型可应用到电池管理系 统或电动汽车的整车模型中，可缩短研发周期及成本。
Abstract: Along with the development of electric vehicles, the research of the power of lithium ion batteries has been paid more attention. It is very important to establish an accurate model of lithium ion battery. In this paper, the equivalent circuit model of lithium ion battery was used to build the model of the battery by using the Simulink/Simscape module. In the model, Ah calculating method was used for the lithium ion battery SOC estimation and the different working conditions of the power lithium ion battery model was simulated. The model could be integrated into the large system model with its simulation analysis of the electric vehicle system, which coulc save the cost of development. Key words: power lithium ion battery; Simscape; equivalent circuit; SOC
收稿日期：2017-04-28 基金项目：国家自然科学基金（51577048，51637001）；河北省自 然科学基金（E2014208134）；高节能电机及控制技术国家地方联合 工程实验室开放课题（KFKT201601）；河北省留学人员科技活动择优 资助项目(C2015003044) 作者简介：李争（1980—），男，河北省人，教授，博士，硕士生导 师，主要研究方向为新能源技术，电能储存技术。
图3锂电池simscape模型图4锂离子电池充放电系统模型100806040200000510152025303540ts104soc图5间歇充电仿真结果000510152025303540ts10406040200soc图6间歇放电仿真结果100806040200000510152025303540ts104图7间歇充放电仿真结果soc000510152025303540ts10410050080604020图8带温度因素充放电仿真结果201711vol41no11研究与设计153643仿真结果与实验结果对比为验证所建立的锂离子电池模型的准确性将实验结果与仿真结果进行对比
由于电动汽车行业的迅猛发展，国内外研究人员对动力 锂离子电池的特性进行了较为深入的研究，提出了多种锂离 子电池的等效电路模型及不同的锂离子电池建模方法。锂离 子电池的工作特性会受到很多因素的影响，例如电池内阻、充 放电电流、电压、温度、充放电循环次数及电池的荷电状态 (SOC)等[1]。一套完善的电池管理系统需要对这些因素进行综 合考虑，其中对电池 SOC 的准确估算至关重要。目前常用的 SOC 估算方法有开路电压法、内阻法、模糊推理和神经网络 法、安时计量法等[2]。通过对比各个方法的优缺点，在本系统中 采用安时计量法对 SOC 进行估算，此方法是实验室情况下得 到广泛应用的 SOC 估计算法，在全部电动汽车上都可以实现 应用，是一种既操作简单而且靠得住的 SOC 估计方法。
究至关重要。采用锂离子电池的等效电路模型，利用 Simulink 的 Simscape 模块搭建电池的模型。在模型中运用安时计
量法对锂离子电池的 SOC 进行估算，对动力锂离子电池模型在不同工作情况下进行仿真分析。所建锂离子电池模型可
集成到电动汽车整车系统等大系统模型及其仿真分析中，节约研发成本。
关键词：动力锂电池；Simscape；等效电路；SOC