混合动力汽车电池建模

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1、锂离子及镍氢镍镉电池技术混合动力汽车用MH/Ni电池的建模■＜中国科学院电工研究所胡运飞廖承林王丽芳摘要：分析了混合动力汽车（HEV）用MH/Ni电池的特点，对电池建模进行了探讨。基于额定电压为144V的6AhMH/Ni电池组的混合脉冲实验，采用回归分析方法，辨识了Thevenin、PNGV两种电池等效电路模型参数；在Simulink中建立了等效电路模型，用HEV电池的3种典型工况测试了模型精度。Thevenin模型在恒流充电工况下的精度较高，而PNGV模型在充放电交替变化较大的复杂工况下的精度更高，更适合H

2、EV中的高功率型电池。关键词：混合动力汽车（HEV）；MH/Ni电池；等效电路模型；建模近年来，混合动力汽车（HEV）因环保、节能的优点受图1为常温下QNFT6-3型6Ah单体MH/Ni电池（长沙到人们的重视，得到了广泛的研究。高功率型MH/Ni电池是产）SOC与开路电压的关系，电压为电池以1C充电到相应HEV用的重要动力电池。电池模型描述电池工作时的外部特SOC点，静置2h后的开路电压（OCV）。实验设备为Bitrode性，是HEV仿真必不可少的环节，在电池管理系统的研究设FTN400-450型电池组充放电

3、测试仪（德国产）。计中具有重要的意义。对电池管理系统的工程化开发，现在采用类似于V型的开发模式，它包括需求分析、控制策略研究、建模与仿真、代码自动生成和硬件在环测试等，在所有过程中，都需要开发符合电池特性的模型。电池的内部化学反应是一个复杂的非线性过程。电池在充放电时，存在极化现象；时间长了，存在老化现象；不同[1]的电池存在个体差异。这些因素使人们很难应用一个完美的电池模型来精确描述所有的电池性能。人们采取很多方法来模拟电池的特性，常用的电池模型有等效电路模型、神经网图1常温下6Ah单体MH/Ni电池SOC

4、与开路电压的关系络模型、电化学模型和有限元模型等，其中等效电路模型具从图1可知，SOC较低时，电池的开路电压下降得有直观、简单和便于建模的优点，得到了广泛的应用。很快，SOC较高时，电池的开路电压上升得很快，而40%≤SOC≤80%时，电池的开路电压变化较为平稳。1MH/Ni电池的特性及等效电路模型分析电池处在充放电状态时，会在外特性上表现为一些电阻1.1MH/Ni电池的特性电容的特性。根据这些特点，可以用电阻、电容、恒压源等MH/Ni电池在不同荷电态（SOC）下表现出不同的外特电路元件组成的等效电路模型来模

5、拟电池的动态。一个好的性，为建模提供了方法，即根据SOC得出不同的参数。模拟电池模型应该能够仿真出在一定负载需求、或者在一定电流电池工作时，以SOC为依据，得到电池的工作特性。需求下的电池组端电压的变化；模型结构比较简单，只包括78电池技术＜2008年10月锂离子及镍氢镍镉电池技术有限次的数学运算和迭代，模型参数应尽量少、最好不要有与电池电化学原理有关的参数。等效电路模型正是这样的一[2]种模型。1.2等效电路模型分析本文作者建立了Thevenin和PNGV两种典型的电池等效电路分析模型（如图2所示），由电阻

6、、电容和恒压源等组合，它们的参数都是电池SOC的函数。图3电池HPPC循环的结果HPPC循环包括对电池的大电流充放电和中间的静置，能将电池内部的复杂化学反应通过外特性表现出来；在不同的SOC点进行相同的充放电，辨识模型的参数更合理。获得电池的HPPC循环数据后，便可对模型进行参数辨识，每个SOC点对应一组模型参数，以多元线形回归拟合原理和电路关系式为依据，利用EXCEL中的LINEST函数分析各个SOC点的参数。式（1）和式（2）为Thevenin模型的拟合原理式：图2两种电池等效电路模型的结构Theveni

7、n等效电路模型由理想电压源UOC、欧姆内阻Ro、极化内阻Rp和极化电容Cp构成，图2中I为总电流，Ip为通过极化电阻上的电流，Uo为电池的开路电压，UL为电池的负载电压。增加Rp和Cp，是考虑到电池的电容特性。当电池有负式（3）-（5）为PNGV模型的拟合原理式：载时，端电压的变化会表现出既有突变性又有渐变性，突变的地方表现在Rp上，渐变的地方则表现在Cp上。PNGV模型在Thevenin模型的基础上增加了一个电容Cb，它描述了开路电压随着负载电流的时间累计而产生的变化。2电池试验及电路模型参数辨识电池等效电

8、路模型中的参数与SOC和温度相关，若同时考虑这些因素，会使模型过于复杂。本文着重分析电池在常式（2）、式（5）中的τ为时间常数（τ=Rp·Cp），反温下的外特性。在常温25℃下，用6AhMH/Ni电池组（由120映电池在充放电时，电容特性的大小。只单体电池串联）来分析等效电路模型。对电池进行充放电，可由电压变化曲线大致确定τ的范2根据文献[3]中提到的混合脉冲（HPPC）循环，对电池等围；在多元线形