電池模型已成為設(shè)計電池驅(qū)動的系統(tǒng)時不可或缺的工具。它們的用途包括電池特征描述、充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 估計、算法開發(fā)、系統(tǒng)級優(yōu)化以及電池管理系統(tǒng)設(shè)計的實時仿真。

對于系統(tǒng)級開發(fā)和控制應(yīng)用，因其相對簡單，首選使用基于等效電路的電池模型。工程師們使用等效電路對電池的熱-電特性進行建模，使用結(jié)合了模型和實驗測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性技術(shù)通過優(yōu)化對等效電路的非線性元素進行參數(shù)化。

帶有三個不同時間常數(shù)、內(nèi)阻和開路電壓的電池的等效電路。

電池特征化

開發(fā)精確電池模型的第一步是構(gòu)建和參數(shù)化等效電路，以反映電池的非線性行為和對溫度、SOC、SOH 及電流的依賴性。這種依賴性對于每個電池的化學原理來說是獨一無二的，需要根據(jù)對電池單元執(zhí)行的測量來確定，該電池單元的類型必須與為其設(shè)計控制器的電池完全相同。示例電池模型可從MATLAB Central（點擊了解）下載。

NMC 鋰離子電池脈沖電流（中間）

放電的電壓響應(yīng)（上方）

相應(yīng)的充電狀態(tài)（下方）

SOC估計

電池模型的一種常見應(yīng)用是開發(fā) SOC 估計算法。開路電壓 (OCV) 測量和電流積分（庫侖計數(shù)）可以為 SOC 提供合理的估計。但是，要想估計具有平面 OCV-SOC 放電特征的現(xiàn)代化學電池中的 SOC，則需要使用不同的方法，例如卡爾曼濾波。

性能降低

電池由于其日歷壽命和充電-放電循環(huán)，性能會隨著時間降低，表現(xiàn)為儲存的能量會逐漸損失，同時內(nèi)部電阻增加。電池管理系統(tǒng) (BMS) 需要適應(yīng)這種變化才能有效控制電池的使用。電池模型可以幫助您開發(fā)一種 BMS，將性能降低問題考慮在內(nèi)。

鋰電子電池的性能逐漸降低體現(xiàn)在內(nèi)部電阻 (R0) 和時間常數(shù) (τ1, τ2, τ3) 增加上，開路電壓 (Em) 的變化則較小。

實時仿真

BMS 硬件在環(huán)測試是電池模型的另一常見應(yīng)用。針對系統(tǒng)級設(shè)計構(gòu)建的電池模型可以在實時仿真時重用。