車載蓄電池仿真模型設(shè)計(jì)

趙公旗，趙紅玉，狄謙星，劉建峰，郭晨光（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定　071000）

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車載蓄電池仿真模型設(shè)計(jì)

趙公旗，趙紅玉，狄謙星，劉建峰，郭晨光
（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)
研究中心，河北 保定071000）

摘要：介紹蓄電池特性曲線；基于Matlab和Simscape仿真軟件設(shè)計(jì)蓄電池模型。通過(guò)試車驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可滿足車輛出廠需求。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)電流；退化率；自損耗

車載蓄電池的作用主要是為整車提供起動(dòng)電源，以及發(fā)電機(jī)輸出能力無(wú)法滿足負(fù)載需求或不發(fā)電時(shí)為整車提供電力支持，同時(shí)可以存儲(chǔ)剩余電量，使供需平衡，保證車輛可靠運(yùn)行。目前汽油和柴油或燃?xì)馄嚿铣Ｓ玫碾姵貫殂U酸蓄電池［1］，常見(jiàn)的鉛酸蓄電池有：富液電池、平板電池、卷繞電池等。帶智能起停功能的汽車常選用平板式鉛酸蓄電池。

隨著電池行業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的精益求精，對(duì)鉛酸蓄電池的研究也在進(jìn)一步的伸延，逐漸了解到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉛酸蓄電池的剩余電量，是提高蓄電池使用壽命的一個(gè)重要內(nèi)容。蓄電池在實(shí)際使用當(dāng)中常處于復(fù)雜的工況環(huán)境，使得蓄電池充放電電流波動(dòng)劇烈，難以準(zhǔn)確測(cè)量。蓄電池剩余電量的估算一直以來(lái)都是該領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1　蓄電池特性曲線

圖1　某型號(hào)70Ah平板鉛酸蓄電池特性曲線

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，由蓄電池直接供電的汽車電器設(shè)備，一般選取12V的蓄電池供電。蓄電池由6個(gè)單格電芯串聯(lián)而成，6個(gè)單格電芯串聯(lián)蓄電池的標(biāo)稱電壓為12V，其實(shí)際電壓值約在12.5～12.9V。某型號(hào)70Ah平板鉛酸蓄電池特性曲線如圖1所示。

1）圖1a為存儲(chǔ)能力退化特性曲線，該圖所示為

30％放電深度的特性曲線。其中縱坐標(biāo)為蓄電池SoC （State of Charge），橫坐標(biāo)為蓄電池使用月數(shù)，平均每天使用3次，放電深度DoC（Depth of discharge）達(dá)到20％～35％計(jì)為一次。

蓄電池退化率是指隨著蓄電池充放電次數(shù)增多而額定容量逐漸變小的現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，新的鉛酸蓄電池容量會(huì)隨著電池的使用先增大后減小，直至電池報(bào)廢，其變化過(guò)程成非線性狀態(tài)。

2）圖1b為自損耗特性曲線［2-3］，其中縱坐標(biāo)為蓄電池SoC，橫坐標(biāo)為蓄電池存放月數(shù)。鉛酸蓄電池自放電根據(jù)產(chǎn)生原因的不同，可以分為物理自放電和化學(xué)自放電。蓄電池在存放期間，電子從電池負(fù)極流向電池正極形成電子電流，該電流與電解液中的離子電流形成電流回路，因此而消耗電量的現(xiàn)象稱為物理自放電；而鉛酸蓄電池在存放期間，由于隔膜隔離性能較差、極片掉粉、極片活性物質(zhì)中夾雜雜質(zhì)等因素，而引起的電池自放電稱為化學(xué)自放電。

3）圖1c為電池溫度與內(nèi)阻特性關(guān)系曲線，其中縱坐標(biāo)為內(nèi)阻，橫坐標(biāo)為溫度。圖中溫度加了偏移量（35℃），即橫坐標(biāo)的0表示溫度為-35℃，內(nèi)阻單位為mΩ。

溫度變化對(duì)鉛酸蓄電池容量也有一定的影響。放電時(shí)，蓄電池極板的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)的能力隨著蓄電池溫度的升高而逐漸加強(qiáng)，在同時(shí)間里放出電量增大；充電時(shí)，蓄電池溫度的升高會(huì)促進(jìn)水解反應(yīng)的發(fā)生，析出氣體增多，電極電壓增大，容易導(dǎo)致蓄電池容量變小［4］。

2　模型設(shè)計(jì)

2.1使用頻率-放電深度-蓄電池容量

出廠的蓄電池其容量較滿，一般會(huì)高于標(biāo)稱容量，隨使用次數(shù)的增加，存儲(chǔ)能力逐漸下降。一般駕駛習(xí)慣下，放電深度常小于35％，此時(shí)蓄電池使用壽命較長(zhǎng)。

本文設(shè)計(jì)模型，將蓄電池使用頻次n考慮為蓄電池充分充電后容量的因數(shù)Kd，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，通過(guò)Matlab進(jìn)行曲線擬合［5］，其中Kd=f（n）=（-2.13E-08）× n5+C，本文中C取0.97較貼合實(shí)驗(yàn)值。

2.2自損耗曲線-蓄電池電流

自損耗受電池電量、電池環(huán)境溫度、放置時(shí)間等多方面的影響，一般在1‰～12‰。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合，可得自放電系數(shù)Ki與放電時(shí)間t的關(guān)系式為：Ki=f（t）=0.0000175681×（-4.884486+t）4，m<4。

2.3溫度-蓄電池容量

同樣容量的電池，在不同溫度下放電能力是不一樣的，主要是因?yàn)椴煌瑴囟认拢娊庖旱臄U(kuò)散速度不同，內(nèi)阻不同，從而影響自消耗及放電能力，這種影響隨著放電電流的不同而不同，也會(huì)隨著極板的厚度不同而不同。

溫度和蓄電池容量關(guān)系

式中：Te——放電終止時(shí)中間單體蓄電池電解液溫度，℃；I20——20 h率放電電流，A；t——放電時(shí)間，h；KT——溫度系數(shù)，可取0.01；C20——實(shí)際20h率容量，Ah。

溫度和蓄電池內(nèi)阻關(guān)系

式中：Cin——自損耗電量；Kr——內(nèi)阻系數(shù)，常取0.75E-03～1.2E-03；Kb——當(dāng)前電池容量；f（Te）——溫度-內(nèi)阻曲線；t——時(shí)間，h。

2.4模型搭建

本設(shè)計(jì)基于Simscape進(jìn)行模型的搭建，并輔以曲線擬合等功能。圖2為所搭建模型。

圖2基于Simulink的仿真模型

圖2中，輸入?yún)?shù)有：Degradation Ratio退化率；Temperature character溫度特性；External consumption負(fù)載消耗；Inner consumption自損耗。Feedback為輸入端反饋調(diào)節(jié)。輸出參數(shù)有：Current consumption消耗電流曲線；Battery voltage蓄電池電壓曲線；State of charge蓄電池剩余電量曲線；Battery temperature環(huán)境溫度。左邊input model為輸入模型，Battery model為蓄電池模型，右邊Result為模擬結(jié)果顯示。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選用哈弗某車型，蓄電池為70Ah，該車靜態(tài)放電電流為10～12mA。模擬蓄電池環(huán)境溫度15～35℃，仿真輸出效果圖如圖3所示，其中橫坐標(biāo)統(tǒng)一單位為秒 （s）。

通過(guò)調(diào)節(jié)不同環(huán)境溫度、放電次數(shù)等驗(yàn)證蓄電池放置1～10周后，電量剩余情況如表1所示。通過(guò)表1可以看出，常溫環(huán)境下，整車靜態(tài)電流設(shè)計(jì)為10～12mA時(shí)，可靜置10周以上。可滿足車輛出廠到用戶手中最大存放時(shí)間90天的要求。

圖3　示波器抓取曲線圖

表1　仿真結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

［1］BOSCH著，魏春源，等譯.汽車電氣與電子［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004，89-132.

［2］張明森.汽車的電量平衡計(jì)算［J］.汽車電器，2010 （10）：10-12.

［3］郝飛，鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗(yàn)證［J］.輕型汽車技術(shù)，2008（3-4）：15-25.

［4］周奇.鉛酸蓄電池能量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.湘潭大學(xué)，2014，12-30.

［5］王江，付文利，等譯.基于MATLAB／Simulink系統(tǒng)仿真權(quán)威指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013，112-178.

（編輯心翔）

中圖分類號(hào)：U463.633

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003－8639（2016）05－0007－02

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-01-17

作者簡(jiǎn)介：趙公旗 （1986-），男，電氣架構(gòu)工程師，碩士，從事汽車電子電氣架構(gòu)工作，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒖偩€開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)、電能管理、電平衡設(shè)計(jì)。

Simulink Model Design of Vehicle Battery

ZHAO Gong-qi，ZHAO Hong-yu，DI Qian-xing，LIU Jian-feng，GUO Chen-guang
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of HeBei，Baoding 071000，China）

Abstract：The article introduces battery characteristics distribution，and gives a Simulink model of battery design based on Matlab and Simscape.Through real car test，this design is proved to satisfy the manufacturing demand.

Key words：quiescent current；degradation ratio；self-consumption