设计优化的电池性能建模与仿真

在Romeo Power，我们设计我们的电池组和电池技术，使我们的客户能够生产更高效的电动汽车，并实现可扩展的能源存储系统。在为他们的下一个产品选择我们的电池组之前，我们的客户需要知道该电池组在各种预期操作条件下的表现，包括各种温度和充电状态。使用硬件原型来评估电池组的性能既缓慢又昂贵，因此我们依靠模拟来确保最小化硬件测试。

用MATLAB建模与仿真^®,仿真软件^®，而且Simscape™比构建物理原型更快、更安全、成本更低。我们可以在不运行整个系统的情况下确定适用于特定设计的算法或收费方法。我们可以测试在真实电池上测试困难或危险的场景，并针对特定应用和使用情况优化设计。模拟常常会揭示在系统级测试中遗漏的错误。此外，我们的客户可以使用我们的模型来评估他们的电动汽车或商业和住宅储能系统的电池组和电池管理系统(图1)。

利用参数估计对单个细胞进行描述和建模

为了给电池建模，我们需要描述它的特性——在不同的温度和充电状态下，它在初始和多次充放电循环后的表现。我们进行了广泛的测试，包括开路电压(OCV)和混合脉冲功率表征(HPPC)测试，使用热室改变电池温度以覆盖感兴趣的工作范围。我们记录每一个老化里程碑之后，在不同充电状态下的容量和阻抗的变化——例如，每200个充放电循环之后。

我们将测量数据导入MATLAB，并执行参数估计，为等效电路模型找到开路电压、电阻和电容值，我们在Simulink中使用Simscape电压源、电阻和电容块构建等效电路模型(图2)。

参数估计涉及计算等效电路参数，以使仿真结果与实验测量相匹配。我们从给定的等效电路拓扑和一组初始参数猜测开始。MATLAB优化函数计算参数值，使仿真和实验的差异最小化。在所有感兴趣的温度处重复这些步骤，以逐列填充查找表。我们使用电池老化时收集的数据重复参数估计，在每个年龄里程碑为电池创建额外的查找表。

作为初始寿命(BOL)参数估计的结果，每个等效电路组件将有一个二维查找表，列表示温度，行表示电荷状态。图3显示了一个示例查找表，其中内阻R0显示为SOC和温度的函数。

为了验证参数化模型，我们对其进行了仿真，并在MATLAB中绘制了仿真结果，并与电池测试结果进行了对比(图4)。

创建多单元的模型

为了创建一个完整的电池组或模块，我们将单个电池模型串联起来或串联起来，然后将它们串联起来(图5)。

我们在单个细胞之间插入对流换热块，以解释热效应。在模拟过程中，我们监测温度、SOC和单个电池的电压，以及整个模块的温度、电压和电流。通过修改字符串的数量或每个字符串中的单元格数量，我们可以快速评估不同的配置，并为特定的应用程序确定最佳配置。

我们根据自己的需求或客户的需求来调整模型的逼真度。我们使用低保真度模型为需要定制设计的新客户生成初始设计报告，或者当现有的产品框架无法执行系统规模和初步分析时。我们使用高保真模型进行产品验证、电池平衡、开发状态估计和充电器控制算法、硬件在环测试和集成到汽车平台。

与客户共享模型

我们的许多客户都运行自己的模拟来验证尺寸，或者看看特定电池组在他们的设计中是如何工作的。例如，一家开发电动汽车的公司可能想要将电池模型与汽车电机模型集成，并对不同的驱动轮廓运行汽车级别的模拟。

车辆模型，甚至驱动配置文件，通常包含专有信息，就像我们自己的电池模型一样。为了解决这个问题，我们开发了我们电池组模型的黑盒版本。我们从原始模型中生成代码，并基于编译后的代码创建新的Simulink模型。我们的客户可以完全控制设置初始条件，如初始SOC、初始电池温度、冷却剂温度和传热系数(图6)。

我们预计，为了满足电动汽车行业的需求，对安全、经济、可靠的电池的需求将不断增长。通过在MATLAB和Simulink中建模和仿真，我们可以快速探索广泛的电池配置和优化系统架构方面的性能，重量，体积，或散热要求。