作者：楊興，MathWorks 中國

MathWorks 中國高級應用工程師，畢業于同濟大學，并獲機械電子工程碩士學位。2012 年加入 MathWorks，主要負責虛擬車輛仿真解決方案，涉及機、電、液等領域，支持客戶包括整車動力學仿真、電池系統、電機系統、空調系統、燃料電池系統仿真等項目。加入 MathWorks 之前，曾任職于斯倫貝謝任現場工程師。

電池以及儲能系統

Simscape Battery? 以模塊庫和 API的方式幫助我們對電池以及儲能系統進行建模。我們可以用它來實現電芯電熱耦合模型、配置和測試電池架構、設計電池管理系統，繼而評估電池系統在正常和極端條件下的行為。

評估電池包架構是否滿足電-熱需求

我們可以很方便的將具有空間幾何結構的電芯組裝成一個電池包，組裝過程可以由內置的 APP工具可視化方式完成，當然也提供了相應的 API 方便電池包設計自動化調整與模型重建。電芯電-熱本體模型為單質點模型，而電池包結構體現實際的空間尺寸且可以包括冷卻板連接端口，更直觀的計算電芯之間以及電芯和環境之間的傳熱，以便后續評估電池包架構是否滿足電和熱需求。

驗證電池充、放電以及熱管理算法的魯棒性

我們可以選配電芯本體所希望包含的物理特性(電-熱-老化)，以及電池包的電芯之間熱交互，設置合適的參數后就可以進行仿真分析。此外，Simscape Battery 還提供了 SOC、SOH 估算模塊等基本BMS單元，也可以將電池模型與 Simulink/ Stateflow 控制算法集成，實現在單一建模環境中模擬整個系統，加速設計控制系統和優化系統級性能等任務。

通過硬件在環(HIL)測試確認算法

Simscape Battery 模型同樣可以轉換為 C 代碼，支持嵌入式軟件的測試，比如處理器在環 (PIL)和硬件在環測試（HIL），比在硬件原型上直接測試要安全得多，也更高效。

我們還可以結合 Simscape 其它的專業工具箱，將電氣、液壓、氣動等其他系統集成到我們的電池系統模型里以實現更復雜的分析和控制。

應用場合舉例

純電車

純電車熱管理包括電驅及其冷卻、車輛暖通空調系統，當然還包括電池及其冷卻系統。下圖為熱管理模型部分截圖。

Simscape Battery 可以幫助我們處理電池部分:

設計滿足續航里程的電芯以及電池包

權衡電熱約束，對比不同的電池包架構方案

開發 BMS 算法以改進 SOC/SOH 估算

開發快充算法盡量降低對電芯的損耗

微電網

微電網通常包括光伏系統、變換器、控制器以及用于儲能的電池系統。

Simscape Battery 可幫助我們:

確定能提供目標儲能能力的電池組方案

開發能量管理算法以實現削峰填谷以降低運營成本

確保電池儲能系統 (Battery energy storage system, BESS) 能工作在預期溫度范圍

通過故障場景測試提高電網可靠性

Simscape Battery 關鍵特性

提供Battery Builder工具(以MATLAB API 與 App的形式)

界面操作或者調用API自動將電芯模型組裝為電池包

可定義電芯之間的電-熱聯結關系 (串并聯)

可調整電池包計算顆粒度以權衡仿真速度與精度

冷卻板模塊庫

包括邊沿水道(edge), 平行水道(parallel channel) ,以及U型水道 (U-shaped channel)

電池管理算法模塊庫

包括 充/放電、SOC、SOH、電芯平衡、熱管理以及電池保護等模塊單元

支持 C 代碼生成

主要內容

結果顯示

Battery 工具箱24a有一個有意思的新功能，它可以將各個電芯的仿真結果結合電池包架構動態顯示出來，比如電流、溫度、SOC 等等。

如下圖，還可以通過播放器反復回放，并支持導出為視頻文件。

建模

繼初版的 Table-Based 電芯模型之后，過去一年更新的兩個版本又增加了兩個新的電芯模型，具體如下表。比較有意思的是，表格里的單粒子電化學模型 (Single Particle)提供了源碼，可以基于此修改為自己的電化學模型。

R2023b 新加入的 Equivalent Circuit 增加了兩個有意思的功能：遲滯以及故障注入，我們也提供了相關的案例來解釋這兩個功能：

Table Based 和 Equivalent Circuit 都是等效電路模型，且提供了若干家電池供應商的電芯數據庫。當然，我們可以結合 MATLAB 優化功能來標定電芯/電池包參數。

我們可以通過電芯模塊界面選配電芯行為模型，包括自放電、充放電動態響應、循環老化、日歷老化。

我們根據需要選擇合適的，當然也可以構造自己的電芯模型，如下圖為 Simscape 源碼基礎框架。

前述的電芯等效電路模型的參數可以是溫度耦合的，這就意味著模型里將會計算電芯溫度。溫度計算不僅涉及到電芯本體發熱，還涉及到環境散熱以及電芯之間的傳熱。

因此實際上 Simscape Battery 的電芯模型是具有空間幾何結構，因為它會影響到散熱邊界的計算。

使用 APP 組裝電池包時，我們可以直接選擇電芯模塊庫也可以選擇自定義的電芯模型，設置電芯尺寸，串并聯方式以及空間組裝方式，構造完成后可自動導出模塊庫文件。

我們可以調整電池包計算顆粒度來權衡精度和速度。

電池包可以細化到每一個電芯單獨計算，以研究電芯參數不一致性以及初始狀態不一致性對電池包整體性能的影響，并驗證相關的均衡控制算法。

當然，在一些場合比如整車環境下，我們僅僅將電池包作為一個動力源看待時，著重于設計電池包串并聯數目以滿足續航里程時，因此也可以將電池包整體或者電池包非關鍵區域作為一個平均模型對待計算，以提高系統優化效率。

冷卻

Simscape Battery 電池包模型的電芯之間可互相傳熱，也會與外界傳熱。這里的外界除了環境之外，還包括冷卻系統。

Battery 庫提供了冷卻板模塊用于模擬電池與冷卻液之間的散熱，結合Simscape Fluids 等其它工具箱可以實現完整的冷卻回路。

模塊庫里提供了不同的冷卻板拓撲，目前包括下圖三種：Edge, parallel channel, U-shaped channel。

對于冷卻流道來說，我們可以配置流道的數目、流動方向(x/y)，當然還有流道的內徑。

而配合電池包模型，冷卻板模型同樣可調節熱模型顆粒度，定義連接點的 x/y 數量。

剛剛介紹的電池包部分所提到的計算顆粒度等級配置，當我們驗證電池控制算法或者初步規劃水冷策略時，可以將電池包模型細化單個電芯顆粒度獲得平面上最大分辨率的溫度分布，與此同時我們也可以考慮將水冷板模型也配合進行分區計算。

而本電池包系統也會作為整車的一部分，當我們關心續航里程時通常需要進行整車級批量仿真或者優化，此時我們可降低電池包以及水冷板的計算顆粒度，以提高整車仿真速度。

電池管理系統

除了電池包與冷卻板的實物模塊，Simscape Battery 里模塊庫里也提供了部分算法模塊，類別如下圖所示。我們可在此基礎上快速搭建 BMS 所需要的各個功能塊。

在之前的電池組裝為電池包的過程中，我們可以為電池包配置一個被動均衡電路。為了便于搭配使用電芯被動均衡算法，Battery 庫也提供了一個Passive Cell Balancing 模塊，如下圖所示。

或者是幫助我們研究被動均衡電阻的選型。

Estimators指的是各種估算模塊比如SOC, SOH, SOE等等。

其中 SOC 計算最常見的其實是安時積分，公式如下圖：

因此 Battery 庫里自然也提供了這樣的模塊，提供的下列兩個安時積分模塊的區別在于是否考慮電芯容量的變化(AH)。

由于電流傳感器的分辨率等原因，安時積分并不能時刻提供準確的結果，因此卡爾曼濾波也在 SOC 估算上得到廣泛的應用。

下圖為卡爾曼濾波的經典結構圖。

在 R2023b 版本里則更加了不少卡爾曼濾波類的模塊，但事實上，雖然使用電壓信息作為修正，但其準確性依舊和我們內置的電芯模型相關，仍需要開路電壓與安時積分進行校驗。

我們也為這些模塊的使用提供了各種范例：

此外，Battery 模塊庫還提供了理想的充放電模塊，幫助我們快速搭建虛擬充放電臺架。

BMS庫里還提供了 Current Management 子庫，包括帶反饋控制的恒流恒壓 CC-CV 充電控制模塊

此外，Protection 子庫里提供了電流、電壓以及溫度監控模塊以及故障評估(Fault qualification)模塊。

熱管理(Thermal Management)子庫里提供了電池制冷和制熱控制模塊供使用。