动力电池模拟器 动力电池模拟器的设计方案

本文主要是关于动力电池模拟器的相关介绍，并着重对动力电池模拟器的设计进行了详尽的阐述。

动力电池

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。其主要区别于用于汽车发动机起动的起动电池。 多采用阀口密封式铅酸蓄电池、敞口式管式铅酸蓄电池以及磷酸铁锂蓄电池。2018年7月31日，新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台在北京启动运行。

特点

高能量和高功率；

高能量密度；

高倍率部分荷电状态下（HRPSOC）的循环使用；

工作温度范围宽（一30 ~65℃）；

使用寿命长，要求5—10 年；

安全可靠。

应用

汽车和摩托车行业。主要是为发动机的起动点火和车载电子设备的使用提供电能；

工业电力系统。用于输变电站、为动力机组提供合闸电流，为公共设施提供备用电源以及通讯用电源；

电动汽车和电动自行车行业。取代汽油和柴油，作为电动汽车或电动自行车的行驶动力电源。

锂动力电池

锂铁电池是2000年后由美国永备公司所推出来并得到成功市场化的新型绿色高能化学电源，在应用于需要的高能量高功率电源的电子设备和电动玩具方面，显示了非常优越的性能。在中等放电电流以上时，锂铁电池的放电时间可达碱锰电池的6倍左右；而与镍氢电池相比，其放电电压平台，储存时间具有显著优势。

总的来说，锂铁电池具有以下突出优点：

1、与碱锰电池的可互换性，在任何用途上都可以和碱性锌锰电池相互换；

2、具有更长的工作时间和更高更平的工作电压，尤其是在中等电流以上放电；

3、环保绿色电源，不使用任何汞、铬、铅等有毒物质；

4、储存性能好，放置期可以长达10年。

电池型号：LFB14505（AA）

放电容量：大于2700mAh（在1000mA放电电流下）

放电电压：~1.45V（在200mA的放电电流下）

储存寿命：10年

镍氢充电电池

由于镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染，因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池（Ni－MH）所替代。从电池电量来讲，相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.5～2倍，且无镉的污染，现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备。 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。 目前，更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上，利用镍氢电池可快速充放电过程，当汽车高速行驶时，发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中，当车低速行驶时，通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油，因此为了节省汽油，此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作，这样既保证了汽车正常行驶，又节省了大量的汽油。

动力电池模拟器的设计方案

1 电池的荷电状态 由电池的荷电状态（ SOC） 可以估算出电池的剩余可 用容量，因此可以根据电池剩余容量占电池容量百分比对 其进行 表 示，把电池不能吸收能量这一状态定义为 100% ，把电池不能放出能量这一状态定义为 0% 。一般 电池 SOC 表达式如下［2-4］： SOC = SOC0 － ∫（ ibatt /C） dt （ 1） 式中，SOC0 是动力锂离子电池的荷电状态的初始电荷，C 为动力锂离子电池的实际容量，ibatt 是电池负载的电流， SOC 是当前的荷电状态。 1． 1 单体电池放电 锂离子电池在不同温度、充放电倍率、循环次数和电 池的老化程度下，放电电压曲线是不同的，为了简化研究 电池的难易程度，本文选取环境温度为参考温度，选取的 电池为 18650 锂离子电池 2 900 mAh，放电倍率为 0． 4 C。 电池测试平台选用美尔诺 M9712 系列直流电子直流负

载，它具有恒流、恒压、恒功率和恒阻操作模式，配合 PC 配套软件使用，上位机软件可以设置为电池放电功能，可 以设置电池放电周期、电池安全电压和计算电池放电容量 等功能。 在环境温度下，放电倍率为 0． 4 C 恒流放电条件下， 单体电池电压与放电时间的关系曲线如图 1 所示。

从图 1 中可以看出放电过程分为 3 个阶段，第一个阶 段为陡峰期，电池电压瞬间从 4． 2 V 下降到 3． 8 V 左右， 紧接着进入平台期，在此期间电池电压有下降的趋势，在 整个放电过程中占了将近 80% 以上的时间，当电池剩余 容量不到 10% 时，电池电压再次出现陡峰期，电池放电时 间不到 5 min，电池电压下降到 2． 7 V，放电截止［5］。 1． 2 动力锂离子电池与开路电压之间的关系 在环境温度下，对锂离子电池以 0． 4 C 恒流放电试 验，计算出实际放出的容量，实验中把实际放出的电量分 成 10 等份，每一等份释放完就视为 SOC 下降了 10% ，每 当 SOC 下降了 10% 就静止一定的时间，然后测量电池的 电压，测量的电池电压就视为电池的开路电压，如图 2 和 图 3 所示［6-7］。

从图 2、图 3 中可以看出，每个阶段电池电流变为零 时，电池电压缓慢上升，总体趋势开路电压是下降的，从测试的实验数据中可以得出 OCV 与 SOC 之间的关系如表 1 所示。

可以将电池温度变化率T ·、电压 V、内阻 r、SOC 变化率  ζ 表示为电流的函数： （ T · ，V，r，ζ · ） = f（ I） （ 12） 每一个单体电池的状态初始值是不同的，常规意义上的电池模拟需要将电池模拟数量进行简单的求和，这样的模拟是不精确的。每一个单体电池都有对应的温度信号、电压信号、电流信号等，由传感器进行信号采集。通过每一个单体电池也要模拟出真实电池的运行特性，这样就会大大增加整个模型的运行时间。为了简化模型的运行，模型中输入的电流为一个矩阵，矩阵的数量为 （ I1，I2 ． ． ． In ） ，可以产生对应的 n 个矩 （ T · 1，V1，r1，ζ · 1 ） ，（ T · 2，V2，r2，ζ · 2 ） ． ． ． （ T · n，Vn，rn，ζ · n ） 。［（ T · 1，V1，r1，ζ · 1 ） ，（ T · 2，V2，r2，ζ · 2 ） ． ． ． （ T · n，Vn，rn，ζ · n ） ］ = f（ I1，I2 ． ． ． In ） ，如此，函数 f（ …） 只需要运行一次。进行硬件在环测试的电池模型必须具有多元电池能力。一个电池模拟器能够处理几十个单体电池，但是模型的数据需要对成千上万的单体电池进行模拟。这个模型需要有效地模拟多元化电池。使用概率密度来对电池的参数进行仿真。它使用一个不同的矩阵来生成电池的不均衡，电池模型用于硬件在环对不同参数的单体电池验证。使用两个普通的概率分布： 正态分布和卡方分布。正态分布如图 8 所示，卡方分布如 图9所示，用于产生单体电池电容和给定SOC开路电压的函数。正态分布的特征是均值和标准偏差。 考虑到电池特性的偏差，这时每个电池的电流、内 阻、初始 SOC 和 电 池 容 量 的 放 大 系 数 可 以 分 别 设 置 为：

式中 num 表示电池的数目，这就将 电池的输入转化为矩阵输入，每一个输入 值都存在微小的差异。 电池等效模型包括电压源模型、二阶 ＲC 模型，如图 10 所示，而图 11 是图 10 子模型。 同一类型的电池都存在微小的差异， 能够模拟几十个到上千个电池，使用正态 分布和卡方分布参数差异化方法来模拟 数量庞大的电池，图 12 是模拟 40 节电池 的放电曲线。

本文选择了合适的电 池模型结构，在不同放电倍率下辨识出了电池 的参数，通过提出的这些参数建立了数学模 型，最后通过 Simulink 仿真进行了验证。 使用正态分布和卡方分布，提出了电池参 数的差异化，利用电池参数差异化对电池模拟 数量求和，从而具有由单体电池到模拟多元化 的能力。

结语

关于动力电池模拟器的相关介绍就都这了，如有不足之处欢迎指正。

相关阅读推荐：一文读懂固态电池成为下一代动力电池的解决方案

相关阅读推荐：什么是动力电池？它与普通电池的区别