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動力電池系統(tǒng)仿真解決方案

Simcenter Amesim電池相關(guān)的解決方案在國內(nèi)外汽車、航空、航天等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外一流的電池供應(yīng)商、OEM，已經(jīng)普遍采用Simcenter Amesim作為系統(tǒng)仿真工具，分析和預(yù)測產(chǎn)品的動態(tài)性能，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案，減少或替代物理樣機試驗。

Amesim基于不同的分析目標(biāo)建立多級復(fù)雜度的電池模型，能模擬多種不同的工況邊界下，快速分析電池系統(tǒng)充放電瞬態(tài)特性以及大時間尺度的老化規(guī)律，優(yōu)化電池包熱管理系統(tǒng)和充放電策略，并保證在進(jìn)行實物試驗前，設(shè)計方案和預(yù)期的結(jié)果一樣。

圖1 Amesim電池系統(tǒng)仿真解決方案

電池系統(tǒng)模型應(yīng)用

電池系統(tǒng)仿真模型常見的工程應(yīng)用有如下幾個方面：

1、基于預(yù)標(biāo)定的電池數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計前期的快速選型匹配

2、基于試驗的電池參數(shù)辨識和性能預(yù)測；

3、電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計；

4、電池?zé)崾Э睾蜔崧臃治觯?/div>

5、電池老化模型及其壽命預(yù)測；

6、電池BMS系統(tǒng)開發(fā)、驗證與標(biāo)定；

7、電池包與整車負(fù)載、電氣附件、電機的集成。

Amesim軟件中為了降低軟件建模的使用難度，提供了電池建模的多個可視化的自動化建模工具，如電池數(shù)表導(dǎo)入工具，特別是根據(jù)電池HPPC提供的電流和電壓數(shù)據(jù)自動快速的識別電池的OCV、內(nèi)阻和極化等參數(shù)，完成電池模型模型，用于進(jìn)一步的熱管理、整車等系統(tǒng)集成分析；另外，專門開發(fā)了Simcenter BDS的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具：

圖2 Amesim電池快速建模工具

動力電池選型及系統(tǒng)匹配

Amesim 在電池庫的開發(fā)過程中，提供了一系列完成標(biāo)定的的不同類型（LFP-C/NCA/NMC 等）的電池模型和超級電容模型，早期開發(fā)中缺少詳細(xì)電池試驗和參數(shù)時，可用Amesim提供的電池預(yù)設(shè)計工具從簡單的宏觀性能要求參數(shù)逆向生成真實模型所需要的電池參數(shù)，包括OCV、內(nèi)阻和極化等參數(shù)，完成動力電池基本選型。

例如某電池包的性能要求為電壓230V，功率60KW，能量15KWh；利用電池預(yù)設(shè)計工具逆向生成的電池性能參數(shù)如下：

圖3 電池預(yù)設(shè)計工具

逆向生成的電池模型可進(jìn)一步用于早期的整車性能分析等。隨著開發(fā)過程的不斷深入，Amesim能夠提供不同復(fù)雜程度的電池模型，包括簡單電池模型，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電池模型和動態(tài)電池模型。

圖4 多級復(fù)雜度電池模型

簡單電池模型中只考慮SOC對電池性能的影響。而準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型參數(shù)除了soc，還依賴于溫度。也可以建模仿真磁滯效應(yīng):電池充電和放電時，對應(yīng)不同的開路電壓值。此外，可以考慮熵的影響，它是由電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)引起的，可以是放熱或者吸熱過程,且會增加電(阻力)熱流，因此，在電池及EV熱管理建模分析中，為了考慮準(zhǔn)確的系統(tǒng)發(fā)熱邊界，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電池模型是合理的選擇之一。

而對于高級動態(tài)電池模型，除了soc和溫度的影響外，動態(tài)電流變化對性能的影響也能耦合在模型中。下圖中中間綠色框圖部分是所有電極的擴散過電壓定義，可以根據(jù)需要定義擴散內(nèi)阻串聯(lián)個數(shù)，紅色框圖部分為除了擴散外的雙極層平衡過電壓定義。除了ocv是soc和T的函數(shù)外，其它的如充放電內(nèi)阻和擴散內(nèi)阻都是soc、T和I的函數(shù)，如下圖紅色框部分。

圖5 高級動態(tài)電池模型等效電路

高級動態(tài)電池模型所需求的復(fù)雜參數(shù)，Amesim中提供了專用的參數(shù)識別工具，基于試驗數(shù)據(jù)快速獲得提取、識別曲線中所包含的OCV、極化等參數(shù)，在后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)介紹。Amesim基于試驗數(shù)據(jù)的等效電路模型，對于電池內(nèi)部微觀量無從了解，不能反映電池準(zhǔn)確的特性，不能解釋電池由內(nèi)部變量引起的外特性變化，因此這種建模方法具有一定的局限性。從電化學(xué)原理出發(fā)，對電池內(nèi)部傳輸、擴散、電化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)現(xiàn)象分析， Amesim建立的電化學(xué)模型能深入了解電池內(nèi)部的微觀反應(yīng)，具有更高的精度，對鋰離子動力電池性能研究和提高具有重要意義。

動態(tài)電池模型參數(shù)辨識

基于下圖中軟件的demo電池模型，應(yīng)用電池擬合工具辨識參數(shù)。然后輸入試驗電流，通過對比仿真輸出電壓與試驗電壓來驗證擬合效果。

圖 6 電池擬合驗證模型

在做擬合之前，建議輸入Amesim軟件中推薦的下圖電流數(shù)據(jù)。分別作某一溫度下（比如25攝氏度），不同恒定SOC1、SOC2、SOC3、SOC4等的短時不同倍率電流下的充放電試驗。

圖7　推薦的電流試驗曲線

其中，每個soc下的試驗，電流最好要呈一定坡度變化短時充放電，且最好做三四組不同電流的充放電試驗。

Amesim開發(fā)了專門的擬合工具，具體的擬合參數(shù)識別步驟如下圖所示：

圖8 動態(tài)電池參數(shù)擬合識別過程

用上述過程完成不同溫度的電池OCV、內(nèi)阻和極化等參數(shù)識別，輸入和試驗電流相同的邊界條件，驗證根據(jù)擬合參數(shù)獲得的電壓變化曲線與試驗的電壓曲線是否一致，確保參數(shù)識別的準(zhǔn)確性；最終將識別出的不同溫度的動態(tài)電池參數(shù)合并為依賴于溫度變化的MAP。

電池包熱管理

動力電池組熱管理系統(tǒng)需要各個單電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時盡量維持包內(nèi)各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。Simcenter Amesim軟件能夠針對風(fēng)冷和水冷等不同冷卻方案進(jìn)行仿真研究，為研究和開發(fā)電池包熱管理系統(tǒng)提供了設(shè)計指導(dǎo)和優(yōu)化。

電池?zé)峁芾硎堑湫偷碾?、熱、和流體多物理閉環(huán)耦合問題，電池發(fā)熱以后將發(fā)熱量傳遞給本體熱容，電池本體溫度上升，而為了將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)，需要將熱量帶走，將溫度控制在合理范圍內(nèi)，不管是風(fēng)冷或者液冷系統(tǒng)，電池發(fā)熱、換熱后的溫度對電池的性能有直接影響。

以某液冷系統(tǒng)電池包熱管理詳細(xì)說明其建模過程，首先為了考慮每個單體本身的溫度差異，將電池本體離散為多個熱容：