蓄电池仿真概述

零部件的实力， 关键测试的时间虽然比模型用时要长， 但是综合起来节约了总成本， 而且对产品的衍生系列开发和整车厂做供电集成工作有很大帮助。

　　另一方面， 蓄电池是一个很复杂的系统， 内部各种变量都影响着其容量性能、瞬态输出、水耗、循环次数等。这些变量( 例如： 活性物质的数量、电解液密度和温度、内阻特性、隔板与板栅结构、化学元素的组成、电解质分层特性等) 不同的侧重点会有不同的模型。图4为电池内部复杂的温度分度， 可见电池温度并不是单一参数， 而是对反应源距离间的一个复杂函数， 这也是对传统电池常常提到均衡充电的原因。

　　图4 电池内部复杂的温度分度示意图

　　正因为其复杂性， 所以对于各种试验环境下表现出的性能难以从经验预知， 特别是对整车厂开发新产品/车系平台设计来说， 是相当严酷而且耗时的测试， 鉴定试验时间平均半年左右， 一旦试验不成功， 整改和重做的成本是相当大的。因此， 在试验前期常常需要一个前期的"摸底式"测试， 这时仿真测试是最佳选择。而且利用模型可以把电流密度、极板腐蚀、寿命等不论从时间还是技术上难以测量的变量变得更易于测量。这种数学模型系统一旦建立起来后， 新项目开发耗时与成本将会大大减少。图5为使用和未使用该方式开发的耗时区别， 每块为一个完整的开发周期。

　　图5 使用和未使用仿真模型开发的耗时区别

2 电池模型在性能评估领域的各种应用

　　汽车蓄电池模型不仅在设计领域有应用， 在既成产品的性能评估方面也有着重要作用。更多人会关注电池模型的性能评估应用， 并且决不仅限于汽车行业， 但是常常是只有少数的设计人员或是科研人员才会关心模型的设计应用。借助于模型， 蓄电池设计人员可以研究各种设计方案对性能的影响，比如： 深放电对容量的影响， 内阻与容量的非线性对应， 使用温度与寿命的关系， 电池欠充电状态与长时间不充电对性能的影响， 静态自放电影响， 放置时间与内阻关系， 恒定放电深度与寿命次数的关系等。这些模型有不同的研究侧重点， 也可以根据试验数值建立模型数据库， 向上这个数据库可以做为系统级模型的准确输入， 向下可以对衍生品开发做一个对比模型， 甚至可以建立ANN神经网络系统， 但Sigmoid算法对输入层的准确度要求很高。

　　在混合动力HEV等交通工具中， 能源是核心问题， 能源的性能评估也是相当的重要。像福特的ESCAPE、丰田的PRIUS等最新的HEV车， 工作原理都是使用蓄电池来提供能量， 并且得到相应的能量补偿，使蓄电池至始至终都维持在一个最高效的区域。其在混合动力车上作为能源的中间枢纽， 充电状态SOC作为分配能量策略的核心参数和对决定"高效区"来说是相当重要的。而如何评估SOC, 并且在ECU控制器中如何制定合理的用电策略， 依靠的就是一个实时的个体级数学模型的建立。

　　在UPS和航天电池、潜艇电池中， 电池模型的应用也有很大前景。股票证券业、汽车设计的数据管理都需要一个可靠性能的"不间断" 电池做支持， 时间就是一个很重要的参数了。如何评估电池并且在断电时实时监视， 抗负载突发需求是相当重要的。可靠的监视策略和准确的模型是分不开的，特别是充放电SOC比率曲线与内阻对性能影响的测算。航天电池通常可以维持一年以上， 所以一个倾向于可以测算自放电、老化、能量消耗速度及内部极板生长等的模型是十分必要的。

　　3 电池仿真技术与实现

　　3.1 软件实现技术

　　欧洲一些研究机构使用MATLAB或ANSYS等软件对民用电池进行仿真。德国宝马和美国通用使用SABAR等数学分析软件建立汽车铅酸式蓄电池仿真模型。有些简易的充放电电池模型也可以用框图式软件SIMULINK等完成。而蓄电池越来越复杂的模型应用需求， 常常要求有电池专门特点的一些工具箱或是专门软件。例如BATTERY DESIGN STD公司开发的电池设计软件， 其使用VC++编写， 用户环境界面十分友好， 如图6所示。

　　图6 环境测试中耐久性试验的仿真参数曲线( 电池设计软件界面)

　　这些软件可以对电池模拟出各种温度环境， 图6为环境测试中耐久性试验( ABUSE) 的仿真参数曲线。而且可以自定义放电情况， 自定义充电状态， 自定义测试循环组合的试验， 并提交试验结果。图7为作者用仿真软件进行的电池内部结构设计的软件界面。

　　图7 电池内部结构设计的软件界面

　　3.2 电池数学模型介绍

在许多的模型开发软件中， 框图是基本表示方法， 例如LABVIEW7.0, MATLAB6.0等， 而框图内部实质就是"数学" (MATH) .在不同的应用领域中的电池"数学"是不同的， 例如汽车行业的供电系统， 常常关注电池的电压与电流、SOC充电状态。下