蓄電池仿真概述

　　系統級的MATLAB/SIMULINK模型常常是基于所有產品個體級模型的基礎上的。

　　對于蓄電池的開發和設計， 產品個體的仿真模型顯得更為重要。但是搭建一個真正的研發用電池環境的成本要遠小于建立數學模型， 蓄電池的各種配件相當便宜， 上汽集團的電池供應商大部分都未采用模型、試制、模型優化、量產的循環流程。其實比如風帆、江森自控這樣的廠商都有很強的自制零部件的實力， 關鍵測試的時間雖然比模型用時要長， 但是綜合起來節約了總成本， 而且對產品的衍生系列開發和整車廠做供電集成工作有很大幫助。

　　另一方面， 蓄電池是一個很復雜的系統， 內部各種變量都影響著其容量性能、瞬態輸出、水耗、循環次數等。這些變量( 例如： 活性物質的數量、電解液密度和溫度、內阻特性、隔板與板柵結構、化學元素的組成、電解質分層特性等) 不同的側重點會有不同的模型。圖4為電池內部復雜的溫度分度， 可見電池溫度并不是單一參數， 而是對反應源距離間的一個復雜函數， 這也是對傳統電池常常提到均衡充電的原因。

　　圖4 電池內部復雜的溫度分度示意圖

　　正因為其復雜性， 所以對于各種試驗環境下表現出的性能難以從經驗預知， 特別是對整車廠開發新產品/車系平臺設計來說， 是相當嚴酷而且耗時的測試， 鑒定試驗時間平均半年左右， 一旦試驗不成功， 整改和重做的成本是相當大的。因此， 在試驗前期常常需要一個前期的"摸底式"測試， 這時仿真測試是最佳選擇。而且利用模型可以把電流密度、極板腐蝕、壽命等不論從時間還是技術上難以測量的變量變得更易于測量。這種數學模型系統一旦建立起來后， 新項目開發耗時與成本將會大大減少。圖5為使用和未使用該方式開發的耗時區別， 每塊為一個完整的開發周期。

　　圖5 使用和未使用仿真模型開發的耗時區別

2 電池模型在性能評估領域的各種應用

　　汽車蓄電池模型不僅在設計領域有應用， 在既成產品的性能評估方面也有著重要作用。更多人會關注電池模型的性能評估應用， 并且決不僅限于汽車行業， 但是常常是只有少數的設計人員或是科研人員才會關心模型的設計應用。借助于模型， 蓄電池設計人員可以研究各種設計方案對性能的影響，比如： 深放電對容量的影響， 內阻與容量的非線性對應， 使用溫度與壽命的關系， 電池欠充電狀態與長時間不充電對性能的影響， 靜態自放電影響， 放置時間與內阻關系， 恒定放電深度與壽命次數的關系等。這些模型有不同的研究側重點， 也可以根據試驗數值建立模型數據庫， 向上這個數據庫可以做為系統級模型的準確輸入， 向下可以對衍生品開發做一個對比模型， 甚至可以建立ANN神經網絡系統， 但Sigmoid算法對輸入層的準確度要求很高。

　　在混合動力HEV等交通工具中， 能源是核心問題， 能源的性能評估也是相當的重要。像福特的ESCAPE、豐田的PRIUS等最新的HEV車， 工作原理都是使用蓄電池來提供能量， 并且得到相應的能量補償，使蓄電池至始至終都維持在一個最高效的區域。其在混合動力車上作為能源的中間樞紐， 充電狀態SOC作為分配能量策略的核心參數和對決定"高效區"來說是相當重要的。而如何評估SOC, 并且在ECU控制器中如何制定合理的用電策略， 依靠的就是一個實時的個體級數學模型的建立。

　　在UPS和航天電池、潛艇電池中， 電池模型的應用也有很大前景。股票證券業、汽車設計的數據管理都需要一個可靠性能的"不間斷" 電池做支持， 時間就是一個很重要的參數了。如何評估電池并且在斷電時實時監視， 抗負載突發需求是相當重要的。可靠的監視策略和準確的模型是分不開的，特別是充放電SOC比率曲線與內阻對性能影響的測算。航天電池通常可以維持一年以上， 所以一個傾向于可以測算自放電、老化、能量消耗速度及內部極板生長等的模型是十分必要的。

　　3 電池仿真技術與實現

　　3.1 軟件實現技術

　　歐洲一些研究機構使用MATLAB或ANSYS等軟件對民用電池進行仿真。德國寶馬和美國通用使用SABAR等數學分析軟件建立汽車鉛酸式蓄電池仿真模型。有些簡易的充放電電池模型也可以用框圖式軟件SIMULINK等完成。而蓄電池越來越復雜的模型應用需求， 常常要求有電池專門特點的一些工具箱或是專門軟件。例如BATTERY DESIGN STD公司開發的電池設計軟件， 其使用VC++編寫， 用戶環境界面十分友好， 如圖6所示。

　　圖6 環境測試中耐久性試驗的仿真參數曲線( 電池設計軟件界面)

　　這些軟件可以對電池模擬出各種溫度環境， 圖6為環境測試中耐久性試驗( ABUSE) 的仿真參數曲線。而且可以自定義放電情況， 自定義充電狀態， 自定義測試循環組合的試驗， 并提交試驗結果。圖7為作者用仿真軟件進行的電池內部結構設計的軟件界面。