基于Simscape Battery模型的电池系统建模与仿真

作者：杨兴，MathWorks 中国

MathWorks 中国高级应用工程师，毕业于同济大学，并获机械电子工程硕士学位。2012 年加入 MathWorks，主要负责虚拟车辆仿真解决方案，涉及机、电、液等领域，支持客户包括整车动力学仿真、电池系统、电机系统、空调系统、燃料电池系统仿真等项目。加入 MathWorks 之前，曾任职于斯伦贝谢任现场工程师。

电池以及储能系统

Simscape Battery™ 以模块库和 API的方式帮助我们对电池以及储能系统进行建模。我们可以用它来实现电芯电热耦合模型、配置和测试电池架构、设计电池管理系统，继而评估电池系统在正常和极端条件下的行为。

评估电池包架构是否满足电-热需求

我们可以很方便的将具有空间几何结构的电芯组装成一个电池包，组装过程可以由内置的 APP工具可视化方式完成，当然也提供了相应的 API 方便电池包设计自动化调整与模型重建。电芯电-热本体模型为单质点模型，而电池包结构体现实际的空间尺寸且可以包括冷却板连接端口，更直观的计算电芯之间以及电芯和环境之间的传热，以便后续评估电池包架构是否满足电和热需求。

验证电池充、放电以及热管理算法的鲁棒性

我们可以选配电芯本体所希望包含的物理特性 (电-热-老化) ，以及电池包的电芯之间热交互，设置合适的参数后就可以进行仿真分析。此外，Simscape Battery 还提供了 SOC、SOH 估算模块等基本BMS单元，也可以将电池模型与 Simulink/ Stateflow 控制算法集成，实现在单一建模环境中模拟整个系统，加速设计控制系统和优化系统级性能等任务。

通过硬件在环(HIL)测试确认算法

Simscape Battery 模型同样可以转换为 C 代码，支持嵌入式软件的测试，比如处理器在环 (PIL)和硬件在环测试（HIL），比在硬件原型上直接测试要安全得多，也更高效。

我们还可以结合 Simscape 其它的专业工具箱，将电气、液压、气动等其他系统集成到我们的电池系统模型里以实现更复杂的分析和控制。

应用场合举例

纯电车

纯电车热管理包括电驱及其冷却、车辆暖通空调系统，当然还包括电池及其冷却系统。下图为热管理模型部分截图。

Simscape Battery 可以帮助我们处理电池部分:

设计满足续航里程的电芯以及电池包

权衡电热约束，对比不同的电池包架构方案

开发 BMS 算法以改进 SOC/SOH 估算

开发快充算法尽量降低对电芯的损耗

微电网

微电网通常包括光伏系统、变换器、控制器以及用于储能的电池系统。

Simscape Battery 可帮助我们:

确定能提供目标储能能力的电池组方案

开发能量管理算法以实现削峰填谷以降低运营成本

确保电池储能系统 (Battery energy storage system, BESS) 能工作在预期温度范围

通过故障场景测试提高电网可靠性

Simscape Battery 关键特性

提供 Battery Builder 工具(以 MATLAB API 与 App 的形式)

界面操作或者调用API自动将电芯模型组装为电池包

可定义电芯之间的电-热联结关系 (串并联)

可调整电池包计算颗粒度以权衡仿真速度与精度

冷却板模块库

包括边沿水道(edge), 平行水道(parallel channel) ,以及U型水道 (U-shaped channel)

电池管理算法模块库

包括 充/放电、SOC、SOH、电芯平衡、热管理以及电池保护等模块单元

支持 C 代码生成

主要内容

结果显示

Battery 工具箱24a有一个有意思的新功能，它可以将各个电芯的仿真结果结合电池包架构动态显示出来，比如电流、温度、SOC 等等。

如下图，还可以通过播放器反复回放，并支持导出为视频文件。

建模

继初版的 Table-Based 电芯模型之后，过去一年更新的两个版本又增加了两个新的电芯模型，具体如下表。比较有意思的是，表格里的单粒子电化学模型 (Single Particle)提供了源码，可以基于此修改为自己的电化学模型。

R2023b 新加入的 Equivalent Circuit 增加了两个有意思的功能：迟滞以及故障注入，我们也提供了相关的案例来解释这两个功能：

Table Based 和 Equivalent Circuit 都是等效电路模型，且提供了若干家电池供应商的电芯数据库。当然，我们可以结合 MATLAB 优化功能来标定电芯/电池包参数。

我们可以通过电芯模块界面 选配电芯行为模型 ，包括自放电、充放电动态响应、循环老化、日历老化。

我们根据需要选择合适的，当然也可以构造自己的电芯模型，如下图为 Simscape 源码基础框架。

前述的电芯等效电路模型的参数可以是温度耦合的，这就意味着模型里将会计算电芯温度。温度计算不仅涉及到电芯本体发热，还涉及到环境散热以及电芯之间的传热。

因此实际上 Simscape Battery 的电芯模型是具有空间几何结构，因为它会影响到散热边界的计算。

使用 APP 组装电池包时，我们可以直接选择电芯模块库也可以选择自定义的电芯模型，设置电芯尺寸，串并联方式以及空间组装方式，构造完成后可自动导出模块库文件。

我们可以调整电池包计算颗粒度来权衡精度和速度。

电池包可以细化到每一个 电芯单独计算 ，以研究电芯参数不一致性以及初始状态不一致性对电池包整体性能的影响，并验证相关的均衡控制算法。

当然，在一些场合比如整车环境下，我们仅仅将电池包作为一个动力源看待时，着重于设计电池包串并联数目以满足续航里程时，因此也可以将电池包整体或者电池包非关键区域作为一个平均模型对待计算，以提高系统优化效率。

冷却

Simscape Battery 电池包模型的 电芯之间可互相传热 ，也会与外界传热。这里的外界除了环境之外，还包括 冷却系统 。

Battery 库提供了冷却板模块用于模拟电池与冷却液之间的散热，结合 Simscape Fluids 等其它工具箱可以实现完整的冷却回路。

模块库里提供了不同的 冷却板拓扑 ，目前包括下图三种： Edge, parallel channel, U-shaped channel 。

对于冷却流道来说，我们可以配置 流道的数目、流动方向(x/y) ，当然还有 流道的内径 。

而配合电池包模型， 冷却板模型同样可调节热模型颗粒度 ，定义连接点的 x/y 数量。

刚刚介绍的电池包部分所提到的计算颗粒度等级配置，当我们验证电池控制算法或者初步规划水冷策略时，可以将电池包模型细化单个电芯颗粒度获得平面上最大分辨率的温度分布，与此同时我们也可以考虑将水冷板模型也配合进行分区计算。

而本电池包系统也会作为整车的一部分，当我们关心续航里程时通常需要进行整车级批量仿真或者优化，此时我们可降低电池包以及水冷板的计算颗粒度，以提高整车仿真速度。

电池管理系统

除了电池包与冷却板的实物模块，Simscape Battery 里模块库里也提供了部分算法模块，类别如下图所示。我们可在此基础上快速搭建 BMS 所需要的各个功能块。

在之前的电池组装为电池包的过程中，我们可以为电池包配置一个被动均衡电路。为了便于搭配使用电芯被动均衡算法，Battery 库也提供了一个 Passive Cell Balancing 模块，如下图所示。

或者是帮助我们研究被动均衡电阻的选型。

Estimators 指的是各种估算模块比如 SOC, SOH, SOE 等等。

其中 SOC 计算最常见的其实是安时积分，公式如下图：

因此 Battery 库里自然也提供了这样的模块，提供的下列两个安时积分模块的区别在于是否考虑 电芯容量的变化(AH) 。

由于电流传感器的分辨率等原因，安时积分并不能时刻提供准确的结果，因此卡尔曼滤波也在 SOC 估算上得到广泛的应用。

下图为卡尔曼滤波的经典结构图。

在 R2023b 版本里则更加了不少卡尔曼滤波类的模块，但事实上，虽然使用电压信息作为修正，但其准确性依旧和我们内置的电芯模型相关，仍需要开路电压与安时积分进行校验。

我们也为这些模块的使用提供了各种范例：

此外，Battery 模块库还提供了理想的充放电模块，帮助我们快速搭建虚拟充放电台架。

BMS库里还提供了 Current Management 子库，包括带反馈控制的恒流恒压 CC-CV 充电控制模块

此外，Protection 子库里提供了电流、电压以及温度监控模块以及故障评估(Fault qualification)模块。

热管理(Thermal Management)子库里提供了电池制冷和制热控制模块供使用。