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透过建模与模拟优化电池性能设计
[作者 Cecilia Wang]   2019年02月15日 星期五 浏览人次: [4298]

Romeo Power公司的主要任务是设计电池组并提供电池技术,来帮助客户制造更有效率的电动车以及实现可扩充的能源储存系统。在客户为新产品挑选出合适的电池组之前,必须先知道电池组在各种不同操作条件下的效能表现,包括各种温度以及充电状态。透过硬体原型化方式来评估电池组的效能,不仅速度慢且昂贵,所以我们藉由模拟来确保减少硬体测试的比重。


透过MATLAB、Simulink、Simscape建立模型及模拟比起建立实体原型的速度更快、更安全、成本更低。我们不需去运行一整个系统,就能找出对特定设计来说最合适的演算法或充电方式。


我们也可利用模型去测试难以在真实电池上进行或具有危险性的情境,也能针对特殊的应用及使用情况来优化的设计。而模拟通常可以让在系统层级测试中被遗漏的错误浮出水面。除此之外,客户也可以使用我们的模型来为他们的电动车、或者是商用与住宅用的能源储存系统,进行电池组与电池管理系统(battery management systems)的评估(图1)。



图1 : 堆高机用的48V锂电池组
图1 : 堆高机用的48V锂电池组

利用叁数估计法描绘单一电池的特性和建模

在建立一个电池模型时,我们必须先描绘其属性特徵它在初次使用和经过多次充电-放电循环之後、在各种温度条件以及充电状态下的性能表现各是如何。因此我们执行了密集的测试,包含开路电压(open-circuit voltage,OCV)、混合脉冲功率特性(hybrid pulse power characterization,HPPC)测试、利用温度测试室(thermal chamber)变更电池温度等等来涵盖所有希??观察的操作范围。我们记录了电池在每一个老化阶段例如每200次充电-放电循环在各种充电状态下的容量及电阻变化。


我们把量测资料汇入MATLAB并执行叁数估计,为我们在Simulink以Simscape电压源、电阻器及电容器模块所建立的等效电路模型(equivalent circuit model)找出其开路电压、电阻、电容值(图2)。



图2 : 利用Simscape模块开发的叁数估计用恒温3-RC等效电路。(Em=开路电压,R=电阻,C=电容)
图2 : 利用Simscape模块开发的叁数估计用恒温3-RC等效电路。(Em=开路电压,R=电阻,C=电容)

叁数估计包含了计算等效电路叁数来把模拟结果对应到实验量测值。我们从已知的等效电路拓朴以及一组初始叁数猜测开始。MATLAB的最隹化函式能计算叁数值,并把模拟与实验之间的差异尽可能缩小。这些步骤会在所有欲观察的温度条件下重复进行,把资料一栏一栏地填进查找表(lookup tables);我们以收集来的电池老化资料重复进行叁数估计,为电池的每一个老化阶段建立附加的查找表。


由於进行了上述的电池寿命起始(beginning of life,BOL)叁数估计,每一个等效电路元件因此会有一个二维的查找表,「栏」代表温度,而「列」代表充电状态(state of charge,SOC)。图3为一个查找表的范例,初始的电阻R0则以SOC和温度的函数来表示。



图3 : 从叁数估计所建立的查找表之视觉化图,内部电阻以充电状态和温度的函数来表示。
图3 : 从叁数估计所建立的查找表之视觉化图,内部电阻以充电状态和温度的函数来表示。

为了验证此模型的叁数,我们进行模拟,并利用MATLAB视觉化模拟的结果,再将模拟结果与电池测试结果进行比对(图4)。



图4 : 电动车应用在某一天的机动模拟(以单一电池为基础)。从上至下:模拟电压(红)与量测电压(蓝)、电流、充电状态。
图4 : 电动车应用在某一天的机动模拟(以单一电池为基础)。从上至下:模拟电压(红)与量测电压(蓝)、电流、充电状态。

建立多电池模型

为了建立完整的电池组或模组,我们把单独的电池模型以串联或并联用线路连接起来,接着再把线路串联或并联(图5)。



图5 : 从上至下:电池组模型,线路以并联连接,单独的电池以串联连接,等效电路与范例查找表模块(R0)。
图5 : 从上至下:电池组模型,线路以并联连接,单独的电池以串联连接,等效电路与范例查找表模块(R0)。

我们在单独的电池之间??入对流传热(convective heat transfer)模块来说明热效应。在模拟中我们监控单独电池的温度、SOC、电压,以及整个模组的温度、电压、电流。透过变更线路的数量或每一个线路下的电池数量,我们可以很快地评估不同的配置,并针对特定的应用找出最隹的配置。


我们依据自己或客户的需求来调整模型的精确度。低精确度的模型被使用来产生初步设计报告,在新客户需要客制化设计,或者现有产品架构无法用於执行系统规模调整或初步分析时提供给客户。高精确度的模型则被用来进行产品的有效性确认、电池平衡、开发状态估计与充电控制演算法、硬体??圈测试、以及与车辆平台的整合。


与客户共享模型

为了有效验证电池的规模,有许多客户会自己执行模拟,或查看特定的电池组套用到他们的设计後的性能如何。以某间开发电动车的公司为例,他们可能会想要把电池模型与车辆的马达模型整合,并以不同的驾驶轮廓执行车辆层级的模拟。


该车辆模型,或甚至驾驶资料,通常包含了智财资料,当然我们自己的电池模型也是。为了处理这些问题,我们开发了黑盒子版本的电池组模型。我们从原始的模型产生程式码,并且依编译出来的程式码建立新的Simulink模型,我们的客户能够依据这个新的Simulink模型完全掌控设置的初始条件,像是最初的SOC、最初的电池温度、冷却後的温度、以及传热系数(heat transfer coefficient)(图6)。



图6 : (上)客户的电池组模型;(下)模型叁数与初始条件的设置介面。
图6 : (上)客户的电池组模型;(下)模型叁数与初始条件的设置介面。

随着电动车辆产业的蓬勃发展,我们可以预期,市场对於具备安全性、成本效益、可靠性的电池需求节节高升。而藉由MATLAB与Simulink进行电池与电池组的建模和模拟,我们可以快速地在范围广泛的电池架构配置探索,透过系统优化找出符合性能、重量、体积、或散热等方面要求的结构,取得领先市场的成长商机。


(本文由??思科技提供,作者Cecilia Wang任职於Romeo Power公司)


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