Romeo Power 的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)電池包并提供電池技術(shù)，來幫助客戶制造更有效率的電動(dòng)車以及實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。在客戶為新產(chǎn)品挑選出合適的電池包之前，需要了解電池包在各種不同運(yùn)行環(huán)境下的效能表現(xiàn)，包括各種溫度以及充電狀態(tài)。使用硬件原型來評(píng)估電池包的效能，不僅速度慢而且價(jià)格昂貴，所以我們藉使用仿真來確保最大程度的減少硬件測(cè)試的比重。

使用 MATLAB、Simulink 和 Simscape 進(jìn)行建模和仿真，比構(gòu)建實(shí)體原型更快、更安全、且成本更低。我們不需要去運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，就能找出對(duì)特定設(shè)計(jì)來說最合適的算法或充電方式。我們也可利用模型去仿真難以在真實(shí)電池上進(jìn)行或具有危險(xiǎn)性的測(cè)試場景，也能針對(duì)特殊的應(yīng)用及使用情況來優(yōu)化設(shè)計(jì)。而仿真通?？梢哉页鲈谙到y(tǒng)測(cè)試中被遺漏的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。除此之外，客戶也可以使用我們的模型來評(píng)估他們的電動(dòng)車、或者是商用和民用的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的電池管理模塊。

堆高機(jī)用的 48V 鋰電池包

利用參數(shù)估計(jì)法對(duì)單一電芯進(jìn)行特征建模

在建立一個(gè)電池模型時(shí)，我們需要描繪其屬性特征 - 在最初使用和經(jīng)過多次充電-放電循環(huán)之后，在各種溫度條件以及充電狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。因此我們執(zhí)行了大量的測(cè)試，包括開路電壓 (OCV) 和混合脈沖功率表征 (HPPC) 測(cè)試、利用在恒溫室改變電池溫度等來覆蓋所有的電池溫度范圍。我們記錄了電池在每一個(gè)老化階段 - 例如每 200 次充放-放電循環(huán) - 在各種充電狀態(tài)下的容量及電阻變化。

我們將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MATLAB 并執(zhí)行參數(shù)估計(jì)，為我們?cè)?Simulink 以Simscape 電壓源、電阻及電容模塊所建立的等效電路模型找出其等效電路模型的開路電壓、電阻和電容的取值。

使用 Simscape 開發(fā)的 3-RC 等效電路（在某一溫度下）。Em =開路電壓，R =電阻，C =電容

參數(shù)估計(jì)包括計(jì)算等效電路參數(shù)、匹配仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。我們從給定的等效電路拓?fù)浜鸵唤M初始參數(shù)開始。MATLAB 的優(yōu)化函數(shù)計(jì)算出參數(shù)值，并最大程度減少仿真與實(shí)驗(yàn)之間的差別。這些步驟會(huì)在所有希望觀察的溫度條件下重復(fù)進(jìn)行，把所得結(jié)果逐列填進(jìn)查找表(look-up table)。另外，我們使用已有的電池老化信息，重復(fù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，為電池的每一個(gè)老化階段建立額外的查找表。

由于進(jìn)行了上述的電池壽命起始 (BOL) 參數(shù)估計(jì)，每一個(gè)等效電路元件會(huì)有一個(gè)二維的查找表，其中列表示溫度，行表示充電狀態(tài)（SOC）。圖 3 顯示了一個(gè)查找表的示例，其中的內(nèi)阻 R0 以SOC 和溫度的函數(shù)形式來表示。

通過參數(shù)估計(jì)建立的查找表，其中內(nèi)阻以充電狀態(tài)和溫度的函數(shù)形式來表示。

為驗(yàn)證這一參數(shù)化模型，我們對(duì)其進(jìn)行仿真，在 MATLAB 中繪制仿真結(jié)果，并將其與電池測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

電動(dòng)車在某天的功率仿真（單一電芯）。從上至下：仿真電壓（紅）與測(cè)量電壓（藍(lán)）、電流、充電狀態(tài)。

建立多電芯的電池包模型

為了建立一個(gè)完整的電池包或模塊，我們把單獨(dú)的電芯模型以串聯(lián)或并聯(lián)用連接起來形成電芯組，接著再把電芯組串聯(lián)或并聯(lián)形成電池包。

從上到下：電池包模型、并聯(lián)連接的電芯組、串聯(lián)連接的電芯，等效電路與示例查找表模塊 (R0)。

我們?cè)诟鱾€(gè)電芯之間插入對(duì)流傳熱模塊來展示熱效應(yīng)。在仿真過程中，我們監(jiān)控單個(gè)電芯的溫度、SOC 和電壓以及整個(gè)模塊的溫度、電壓和電流。通過變更電芯組的數(shù)量或每一個(gè)電芯組下的電芯數(shù)量，我們可以很快地評(píng)估不同的配置，并針對(duì)特定的應(yīng)用找出最隹的配置。

我們根據(jù)自己或客戶的需求來調(diào)整模型的精度。低精度模型用于生成初步設(shè)計(jì)報(bào)告，或者在新客戶需要定制化設(shè)計(jì)、或者現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)無法用于系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和初步分析。高精度的模型則被用于進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證、電芯平衡、開發(fā)狀態(tài)估計(jì)與充電控制算法、硬件在環(huán)測(cè)試，以及與車輛平臺(tái)的集成等等。

與客戶共享模型

有許多客戶會(huì)自己運(yùn)仿真驗(yàn)證電池包的參數(shù)，或查看特定的電池包應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)后的性能表現(xiàn)。例如，一家設(shè)計(jì)電動(dòng)車的公司，可能希望將電池模型與車輛電機(jī)模型集成，并對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)配置文件進(jìn)行車輛級(jí)仿真。

該車輛模型，甚至驅(qū)動(dòng)配置文件，往往包含商業(yè)秘密，而我們自己的電池模型也是類似的情況。為了解決這個(gè)問題，我們開發(fā)了黑盒版本的電池包模型。我們從原始模型中生成代碼，并根據(jù)編譯的代碼創(chuàng)建新的 Simulink 模型。我們的客戶可以用黑盒模型調(diào)整初始參數(shù)，例如初始 SOC、初始電池溫度、冷卻液溫度和傳熱系數(shù)。

上：客戶電池包模型。下：模型參數(shù)和初始條件的設(shè)置界面。

我們預(yù)計(jì)，隨著電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場對(duì)具備安全、經(jīng)濟(jì)、可靠性電池的需求會(huì)不斷攀升。通過 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行建模和仿真，我們可以快速地探索各種電芯配置，優(yōu)化系統(tǒng)并找出符合性能、重量、體積或散熱等方面要求的結(jié)構(gòu)。

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