CN111859600A - 一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，包括以下步骤：步骤1：利用参数估计法对单一电芯进行特征建模；步骤2：利用联合仿真平台对模型建立联合仿真；步骤3：根据仿真结果和实际要求对单一电芯进行组合形成锂电池电池包。与现有技术相比，本发明具有降低成本，减少硬件使用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电池包技术领域，尤其是涉及一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法。
背景技术
就当前的实际发展现状来看，我国的第一代车用锂离子电池，主要是锰酸锂离子成分为主的电池类型，引起成本低廉，安全性强，所以应用十分广泛，但是其应用问题在于循环寿命周期短，在高温环境下，其整体循环寿命更会进一步缩短，高温环境下，锰离子会有溶出的现象。第二代主要是以已经申请专利的磷酸铁锂离子电池为主，这是锂离子电池后续的主要发展方向。鉴于铁、磷、锂等资源的储量丰富，而且原材料的价格低，充放电的特性理想，且工作电压适中，可迅速完成充电、循环利用的寿命也更长，在高温环境下，这种电池的运行状态也十分稳定，不仅有着理想的储能能力，并且并不存在毒害成分。
为此目前有许多公司，都在针对锂离子电池不断进行开发研究，开发新的电池种类，优化电池的功能，以确保电池的应用成更加理想。就当前的实际发展趋势来看，锂离子电池的研发，已经满足了我国电动汽车用动力电池的优化目标。但是依然存在诸多问题需要得到进一步优化，例如如何进一步降低制造成本，提升电池性能，延长使用寿命，并且保护电池的电路运行稳定性等等。通过不断的研究，才能开发出性能更加出众的电池，得到更广泛的应用。
电池使用者为新产品挑选出合适的电池包之前，需要了解电池包在各种不同运行环境下的效能表现，包括各种温度以及充电状态。使用硬件原型来评估电池包的效能，不仅速度慢而且价格昂贵，本设计提出使用仿真来确保最大程度的减少硬件测试的比重。
电池使用者为新产品挑选出合适的电池包之前，需要了解电池包在各种不同运行环境下的效能表现，包括各种温度以及充电状态。使用硬件原型来评估电池包的效能，不仅速度慢而且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，使用仿真来确保最大程度的减少硬件测试的比重，设计电池包并提供电池技术，通过解决方案的提出对控制器***设计，来帮助客户制造更有效率的电动车以及实现可扩展的能源储存***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：利用参数估计法对单一电芯进行特征建模；
步骤2：利用联合仿真平台对模型建立联合仿真；
步骤3：根据仿真结果和实际要求对单一电芯进行组合形成锂电池电池包。
进一步地，所述步骤1包括以下分步骤：
步骤11：记录电池在每一个老化阶段中充电状态下的容量及电阻变化数据；
步骤12：将记录数据导入RT-lab仿真平台以得出电池等效电路模型的相关参数取值结果；
步骤13：重复步骤12得到不同观察条件下的相关参数取值结果并把所得结果填入查找表；
步骤14：重复步骤12建立电池的每一个老化阶段额外的查找表。
进一步地，所述步骤2中的联合仿真平台包括上位机、网络交换机、RT-lab仿真平台和Hypersim仿真平台，所述RT-lab仿真平台和所述Hypersim仿真平台之间的数据交互通过光纤进行传输。
进一步地，所述RT-lab仿真平台中包括多核CPU、多级FPGA拓展、单台OP5600实时仿***机和单台OP5607实时仿***机。
进一步地，所述Hypersim仿真平台中包括多核CPU、多级FPGA拓展、单台OP5600实时仿***机和单台OP7020实时仿***机。
进一步地，所述上位机与所述单台OP5600实时仿***机之间通过所述网络交换机和网线通讯连接。
进一步地，所述多核CPU与所述多级FPGA拓展之间通过PCI/E通信连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)硬件在环仿真技术评估电池能效
在客户为新产品挑选出合适的电池包之前，需要了解电池包在各种不同运行环境下的效能表现，包括各种温度以及充电状态。使用硬件原型来评估电池包的效能，不仅速度慢而且价格昂贵，使用仿真来确保最大程度的减少硬件测试的比重，针对电池包能效数据少、难确定的问题，利用MATLAB仿真，建立电池包参数模型，利用参数估计法对单一电芯进行特征建模，快速地探索各种电芯配置，优化***并找出符合性能、重量、体积或散热等方面要求的结构。利用联合仿真技术，节省评估时间，减少硬件使用、节约成本。
(2)联合仿真技术优化电池性能
使用RT-Lab、HYPERSIM联合进行建模和仿真，比构建实体原型更快、更安全、且成本更低。不需要去运行整个***，就能找出对特定设计来说最合适的算法或充电方式。也可利用模型去仿真难以在真实电池上进行或具有危险性的测试场景，也能针对特殊的应用及使用情况来优化设计。而仿真通常可以找出在***测试中被遗漏的设计错误，可根据需求调整建立电池包模型的精度，并与用户建立共享模型，方便的解决了电池使用者查看电池性能表现。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明联合仿真平台的连接架构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
1、利用参数估计法对单一电芯进行特征建模
在建立一个电池模型时，首先需要描绘其属性特征-在最初使用和经过多次充电-放电循环之后，在各种温度条件以及充电状态下的性能表现。因此需要执行大量的测试，包括开路电压(OCV)和混合脉冲功率表征(HPPC)测试、利用在恒温室改变电池温度等来覆盖所有的电池温度范围。本设计记录了电池在每一个老化阶段-例如每200次充放-放电循环-在各种充电状态下的容量及电阻变化。
将测量数据导入RT-lab并执行参数估计，为在电压源、电阻及电容模块所建立的等效电路模型找出其等效电路模型的开路电压、电阻和电容的取值。参数估计包括计算等效电路参数、匹配仿真结果与实验测量结果。从给定的等效电路拓扑和一组初始参数开始。RT-lab的优化函数计算出参数值，并最大程度减少仿真与实验之间的差别。重复步骤，在所有希望观察的温度条件下重复进行，把所得结果逐列填进查找表(look-up table)。另外，使用已有的电池老化信息，重复进行参数估计，为电池的每一个老化阶段建立额外的查找表。
2、Hypersim与RT-lab联合仿真整体结构，如图2所示
该***分为RT-lab和Hypersim两大仿真平台，各个仿真平台主要包括多核CPU、多FPGA扩展及开发主机。***由上位机、网络交换机、两台OP5600与OP5607、OP7020组成，一台OP5600与OP5607运行RT-lab中的模型，另一台OP5600与OP7020运行Hypersim中的模型，上位机与OP5600的通讯通过交换机和网线来实现，CPU与FPGA之间的通信通过PCI/E来实现，RT-lab与Hypersim之间的数据交互由FPGAOP5607和OP7020通过光纤进行传输，由于光纤传输速率快，而且FPGA之间的传输数据的速率也在几十到几百纳秒，远高于仿真所需的毫秒级仿真步长，因此通过FPGA进行数据传输，可以满足联合仿真的需求。
3、建立多电芯的电池包模型
为了建立一个完整的电池包或模块，首先把单独的电芯模型以串联或并联用连接起来形成电芯组，接着再把电芯组串联或并联形成电池包。
在各个电芯之间***对流传热模块来展示热效应。在仿真过程中，监控单个电芯的温度、SOC和电压以及整个模块的温度、电压和电流。通过变更电芯组的数量或每一个电芯组下的电芯数量，可以很快地评估不同的配置，并针对特定的应用找出最隹的配置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用参数估计法对单一电芯进行特征建模；
步骤2：利用联合仿真平台对模型建立联合仿真；
步骤3：根据仿真结果和实际要求对单一电芯进行组合形成锂电池电池包。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下分步骤：
步骤11：记录电池在每一个老化阶段中充电状态下的容量及电阻变化数据；
步骤12：将记录数据导入RT-lab仿真平台以得出电池等效电路模型的相关参数取值结果；
步骤13：重复步骤12得到不同观察条件下的相关参数取值结果并把所得结果填入查找表；
步骤14：重复步骤12建立电池的每一个老化阶段额外的查找表。
3.根据权利要求1所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中的联合仿真平台包括上位机、网络交换机、RT-lab仿真平台和Hypersim仿真平台，所述RT-lab仿真平台和所述Hypersim仿真平台之间的数据交互通过光纤进行传输。
4.根据权利要求3所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述RT-lab仿真平台中包括多核CPU、多级FPGA拓展、单台OP5600实时仿***机和单台OP5607实时仿***机。
5.根据权利要求4所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述Hypersim仿真平台中包括多核CPU、多级FPGA拓展、单台OP5600实时仿***机和单台OP7020实时仿***机。
6.根据权利要求5所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述上位机与所述单台OP5600实时仿***机之间通过所述网络交换机和网线通讯连接。
7.根据权利要求4或5所述的一种用于锂电池电池包的联合仿真优化设计方法，其特征在于，所述多核CPU与所述多级FPGA拓展之间通过PCI/E通信连接。
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