锂电池matlab-simulink建模与仿真

第五章Simulink建模与仿真Ø系统仿真的基本概念Ø动态系统数学模型及其描述Ø动态系统的Simulink仿真Ø系统过零和代数环Ø子系统和S-函数Ø示例分析系统仿真的基本概念（一）系统（仿真的对象）•系统是指具有某些特定功能、按照某些规律结合起来、互相作用、互相依存的所有物体的集合或总和。

它具有整体性和相关性两个基本特征。

•研究系统通常从以下三方面考虑：实体：组成系统的元素、对象属性：实体的特征。

活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程系统仿真的基本概念（二）系统模型•系统模型是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述。

或者说模型是对真实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。

•系统仿真中所用的模型可分为实体模型和数学模型。

•实体模型，又称物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型。

静态的实体模型最常见的是比例模型，如用于水洞实验以及实验水槽中的鱼雷比例模型。

模型类型静态系统模型动态系统模型连续系统模型离散事件系统集中参数分布参数时间离散数学描代数方程微分方程传递函数偏微分方差分方程、Z变换离散状态概率分布排系统仿真的基本概念述状态方程程方程队论应用举例系统稳态解工程动力学系统动力学热传导场计算机数据采样系统交通系统市场系统电话系统计算机分时系统Petri网状态机UML……系统仿真的基本概念（三）系统仿真的定义•系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统仿真的特殊功效•安全性•经济性系统仿真的作用•优化系统设计。

在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计。

•对系统或系统的某一部分进行性能评价。

•节省经费。

仿真试验只需在可重复使用的模型上进行，所花费的成本比在实际产品上作试验低。

•重现系统故障，以便判断故障产生的原因。

•可以避免试验的危险性。

锂电池是目前在各个能源密集型行业中用途广泛，例如新能源汽车、电力微网、航空航天等。

电池模型的建立对研究电池的特性、SOC（state-of-charge）估计、SOH （state-of-health）估计、BMS算法开发以及电池系统的快速实时仿真有重要的意义。

等效电路建模，由于其简单适用性，常常应用在在系统级仿真和控制算法设计过程中。

通过实验数据采集、等效电路模型建立和数学优化技术，用相对简单的RC等效电路可以模拟一个电芯。

若干电芯模型通过不同类型的并串联方法，形成电池包模型。

在电池包模型内，也可加入热电效应仿真。

在上图中，10 个电芯以 10S1P 的形式形成一个电池包（此处工具为 Simscape）。

蓝色的线表示电线连接，橙色的表示热交换连接。

在图中电芯之间的热交换形式为热对流。

电芯的模型为下图所示：R0 表示内阻，R1C1 表示一对 RC，左边的电压源表示开路电压（Em）。

由于只有一对 RC，所以这是一阶等效电路。

上图表明，通过在一个不断充放电的工况下的仿真，我们发现电芯5 和电芯6 有较高的温度，而电芯 1 和电芯 10 温度较低。

原因是在串联结构中，位置处于中间的电芯散热较差，而处于边缘的电芯散热较好。

锂电池的型号多种多样，比如镍钴锰三元材料(NMC)、磷酸铁锂(LFP) 等。

每种电池的化学特征决定了各自不同的等效电路特征。

等效电路的特征由如下两个要点决定：1.RC 的阶数2.R0 、RC 和 Em 的数值下一节中我们将讨论如何获取（估计）上述两个要点数值。

锂电池的老化对模型的影响也是电池模型研究的方向之一。

找出模型的拓扑结构和模型参数的改变趋势，对于SOH 的估计有很强的现实意义。

本文将在第四章中讨论电池老化对电池模型的影响。

被动均衡也是电池管理系统（BMS）的研究热点之一，文末我们将给出一个被动均衡的示例供读者参考。

RC 等效电路的参数设计脉冲放电法RC 等效电路有物理意义的前提是电路中所有 RC 对和 R0 都必须完整地“经历过”一个放电周期。

1. 全冲全放2. 同时冲放3. 环境温度4. 电流范围整车仿真流程1等效电路模型: 2. 神经网络 3. 有限元RC 、内阻、三阶、 RNGV 、开路电压Batter yEHtt_HWr-BV Bil-Scopes遛朗sakver AcLeterolw 舒Man P*肌i g"NidM 杯曾EMI M ^Irwtflgy bi^inceIQWK43n J XJSv*POlWH SpikSynchwnDui Motor* DilwdSr% 祜则A. Dri^siv 1P TEK-DC cnnuvrlBrHv_Bp i1_Sffwplr-lILI, ATi ：e 7L -W □ 1^ u\ii<asurtffi<?nf f:HEV Pow 亡r£口1乂十 * HT13rkhvp Acu De mas□ 3 u & x- * eDH :血 ISHBSSWMsM 5flF E ■^II »Cry(^^Wdcrp-: At ：- (kjV)fMhh j*rwJ5,SA■■—tj&lprr^or W 心I ■卜旳DIBuZH&qs ㈣Venidespeac (km/hl■Simulink th v；f t'j 电池模中」.U L-i brrurv : bm t^^^ylndrL可以将内阻类型细化电池的等效电路模型（内阻模型）■Simulink 和Simscape 建立的电池模型■Simulink fllSimscape 建<的电池模甲.；FiKVTE Fl Rure i : tdt err Char 汎匚icrriE 石I L I* lilt Y14V IruKt□「站」b '■--hkiEi 门ECut 灯CKjraClersin- ?rtO 2C(1 ?离)1 DtSChags' cjpis^Nofniral area充放电测试曲线BatteryT ：tlt Cduf t*Ekrap Finder■■】孑yu M- 0 310 3 0am 口 ff 口5 2 36 £4AmtK-'t-flOtr (Ah)Eu = I 303. h ： 0 002. K = 0 匕 015J 科.= 0 11293 B = 2 6精选文库■Simulink flDSimscape 雄工的电池模舉^■Bai Lli ¥S F 济 Tii=* iLliJ JI --- *WAr* --------- [] TID 「 Q 心丹 I ColchODM VdllKl*RC 模型:Equivalent circuit model (RC)Cc-frT)RC 模型在整车模型中csac no•d>■Cb： ■Cc： ■Rt： ■Re：■Rc；电池电容即电池容量 表面极化电容 终端电阻 电池的内阻 电容的内阻R F -ffh SOC)Cb=f(T)*CSMIC2)M VcItSwK* : ■=r(T,soc)Rt=f(T,SOq精确建模:建立精确的电池模型SiBuJ xnk Library iBrpwser-Simscapet基础平台，实现多较域物理建模■Optimization Toolbox：电池的实际容重计篦■Simulink Design Optimtzalion：樓数辨析■Parallel Compiuling Toolbox：并行计算I "曰tCl!" I■I HV((r»ul<:Mi PhyncBi SigAils]_寿Pnihiffiaic _■UtlllMl■三阶等效电路电池模熨R冥二f(SOC, Current, Voltage, Temperature) Transient Dy namic End of Charge Resistance 丁电血"1 ResistanceJpen-Circuit VoltageC1VAR2wvROEnd of Discharge Resistance[Miain Branch][PnrftBiticBranch]Charging Lossestt利用Simscape建立电池的三阶竽效电路模型对否?电路中的参数关系电池电出与其它参数的关系SOC呂二一KJn （以疋）SOCexp [血(l-SOC)■ Simscape 语言实现f .Ui.t» - C 汽«ir ・；j 和呼l^Lohr. Jw kri XHfil R rnUi-lr | I ■pkh I n^r\l^|SixT « J kJ'!； L - «t>iSL/liBflr：i!lW"-赳 于dX 100,506 0,7080.9di n n.51 i ：; ;斗 Ak MW11 » *■4]IT )0MgLti 虹*4 L r tfl A L ' 也亠上；£耳 土出 柑-fc fizU F £ L> —工一 lcl-4ta I p. *. n.* J * F- I -i* IL -■ * - tli-；= T ■ II hf 锐& - 1SSjWTW-Aliblbi?二T ； I ''•1川4."■'■'*姑—甩}n{/)OC}«».>-snFhJ nC -T ■. ii ■二 I.,FtL ■ 晋L 洋I 軸旧山3「+；朋1\严riE-i*if nc > D. wp??飢=卡1卜】皿2附卯卜入士r 丄迄-"阳It »K 町U » »3Eb41 J1E5 = {I. %I 4：1-(:.: i- P-'^ 4ItlH ■ h 和 fr-^土N 勺曲轴弔'I^j2|h l i#卷I 叫玄厂>匸！% >-為' Z HL DP * :- L| t 二心严Kt,侏p 属](1T(SOC)] 1土班p (血 /… //*)fnL 丄- C■rt -ha±「tx ：H3t 邸.吧・产冃匕去■ Hitfimi t-i^r^TT 丁匕二L^ir "刊trd+ ex22 /")V 三丄血，■454参数辨识■充放I Lu 川线-不同的温度条件-不同的充放电电流与电压压流度 电电温■ ■■参数预估计 Conveclire HralTgUer rIhcrrralRnweweMTtHefit 1«t7i^r»urEaa(tis*ycurneni一匚①t n o ±1.patierv石"Votti 聲央nWF i"圍龛Jiinl 1<GamTirtie (nouns)V I DB U I 50C 、DOCH nij=» IMver5两Of 刃曲ScupcTamp 卯 Hur? i"网raes C P *Depdi <S ctiaige (DOCj ~I loaJ b -------- : --------------- ----- h陀如期(V[W1Iifii'Ii.nunJ .(n ：ia» (V； *ensues fji MT 5cUS ：tOEfj 伪 ln\jPBramPT* F^tPi.T -r-n Gil win pfeisao^d 诲s■砂ii只的结果収决「模世与数据s§>Time (hours) Time (hours) M文件控制参数辨识过程-方便调整参数■根拥需求，分步骤辺行数抑讲识ii -ISUU -£QSIS3S3 - 'Si4 -55 - 5'€ -S'T -SB - 阴'€0 —n轴-ti时-IL) .OutpuiO«ia(41,..-三&■uQa匚.vol^iqe U±?A»±ulL4ngLh)…r ...Tes^DaH^eL [i) «t：Liu, fliUaefulLcii盯蚣】”**C AC<'■Time', ■Weiqrt ■, Tes*：Dfli:*Set ti)*wei5ht|;Create ohjccn to rspTAaenr paramfiter*.hP*£- F4f*t=«t«rEttlh4»E^Ptrut*^cr ('A?'',liFaT<eiid+ij - FaravcerEacitucor.Paramettr f"；Te', hPaT<CRd+l) ■FaraHceirEscitHtar.Par^ird*; (*EnD\ hFax{cx;d«l) ■FiruHccrEscicutcir+ Par«in«L*i CBIO*« hFa£(cnd*lF ■'FdroKtvrEfClEutOr ^F*r<inetcT )1' Eso*, nPoiTcend+li ■PAr»w«rE«iMMr.PflrMK?er ('AC.Kt,SS\QrR；6R D H-$» 利：a品0丸o.OQj⑹13.15/«r L3.5/«];OMOGlf D.l];BcQ llAtli r BcO IU E<2H；-150. -S)：■ miS*<BB*SBSB>SS<SSBMSN»MS>BS<B»MS«MSSB>S«SS*«SSSWW<V'S*S«*Screfttft BATtiMtiofl prejeflt rroa 耳彬Uftts® p^vniieTerft, Staten •P&r*twceft9iin*car.Ejtiuiiion hFar’ hEkp);<=* Add tiiaablc initial canditlca* far ex^ncLcl chiiQe vcatc D for 1 • 11 letothn*3tDAtd5«* I精选文库电池参数辨识步骤小结参考文献•SAE Papers {contact MathWofit}” 5AE Paper 200*01-1381 Parameterir^tlon of aSattery Simula bon hAodfri UsiOQ NumericalOptimizalion Meltiods•SAE Paper 5007-01-0778 A Sample, ETledtve LeadAod Battery Modeling Process For Electrical SyslcfnComponedI Selection■Featured Products： Simulink, Statefbw, Si mulink Design Optimization, Parallel ComputingToolbox汕^rtWKS MrnmK>3uCt；>Exam pie 2: Table-based Lithium ModelParameterization of a Battery SimulationModel Using Numerical Optimization MethodsRobyn A. JackeynwMathWW Inc精选文库Greg«y L. PkHUn^amlyol Cdwsdo d Cd or wk* 紳rv 亩Martin 丄KleinC«nT«ct Powar IptA 2KB SM. b4Hr*)oriAB&TRACTTypeg^fnoMi PEG oannilEni md WfRl tQpwT9fri¥*efize to dais. a^iqdl ger Grained W CntMeen moEisirfid mdVim^nd r»B・i 加iiri hn flnrai tana 虬YaaeHmjrtanfiBttw血Hflss an□ften ot4»rwj by u到叩nxxMi a nwrhiM) lhathwlh$r 肿KCitfManittimafeEi daso^ita^ (motfel} cf (he <fyrDfntcSwaderslKS of Ute c«fc. in U K FM(H, un Tirsi descnto «uldbte mod创3tfuceur« aid Owi disci超tiow itw pmmtilnof fin rnod«i may b* mtonMicfl恂精选文库电池建模的小结■电池的模型可以用F-系统层面的仿真-用于控制算法开发■采用数值优化的方法进行数据辨i儿建立桔确的电池模型-H标：仿貞的计算i昊斧小」:电池参数的变化误弟。