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(lái)幫助客戶(hù)制造更有效率的電動(dòng)車(chē)以及實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。在客戶(hù)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)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(chǎng)景，也能針對(duì)特殊的應(yīng)用及使用情況來(lái)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(hù)也可以使用我們的模型來(lái)評(píng)估他們的電動(dòng)車(chē)、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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)路電壓、電阻和電容的取值。

使用 Simscape 開(kāi)發(fā)的 3-RC 等效電路（在某一溫度下）。Em =開(kāi)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(kāi)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(lái)表示。

通過(guò)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(lái)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(chē)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(lái)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(lái)展示熱效應(yīng)。在仿真過(guò)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(guò)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(hù)的需求來(lái)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(hù)需要定制化設(shè)計(jì)、或者現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)無(wú)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(kāi)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(chē)輛平臺(tái)的集成等等。

與客戶(hù)共享模型

有許多客戶(hù)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(chē)的公司，可能希望將電池模型與車(chē)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(chē)輛級(jí)仿真。

該車(chē)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(lèi)似的情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)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(hù)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(hù)電池包模型。下：模型參數(shù)和初始條件的設(shè)置界面。

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我們預(yù)計(jì)，隨著電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)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(guò) 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)。