（车辆工程专业论文）电动汽车蓄电池的建模与仿真研究.pdf

摘要 当前，能源危机和环境污染促使以电动汽车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 为 主魏羝撼敷节旋汽车褥到了重鼹和发震。在电动汽车豹蠢蓼爨开发中，诗篱橇 模拟仿真具有重疆作用。作为电动汽车的能量存储系统，蓄电池性能是决定 熬车性能的重要豳素，且蓄电浊是电、化学、热力学的综合系统，动态特性 辩常复杂，因此蓄电池建模仿赢是电动汽车建模仿真的蓬要环节和困难部 分。作者在参与科研项目的实践中，通过深入研究，将键合图( b o n dg r a p h ) 蠖论应奔j l 弱蓄电滟的建禳中，收到了缀好酶效暴，开辟了蕾电沲建模仿炱的 新思路。 俸者在文中薅要夯绥了电动汽车薷毫 基及其瀵度管理系统懿建模薅囊懿 现状，对几种常用的电池模型的特点进行了论述。详细探讨了键合图理论基 磁及箕在工程中麓应蠲，并重点深入疆究了毽合鬻在毫系绞寒热力学系绞中 建模的特点、方法和步骤，包括传导传热的键台图表示和对流传热的键合图 裘示，并遴一步讨论了键合图麴增广定舄敬系统的数学摸墅状态方糕弱 推导。对蓄电池建模方式进行探讨并采用等效电路法建模，在分析比较几种 常用等效电路的基础上，采用精度高、更加台理的参考模型( r e f e r e n c e m o d e l ) ，并建立了参考模鳖等效电路的键台图模囊。研究了电溜溆度管璃系 统的常用的平行气流风冷方式的热力学状态和能魑流动，并建立了键合图模 黧。送舔将蓄宅濑等效激路懿镶合图禳麓帮温度管理系统静键合蚕模蘩藕 合，得到蓄电池系统的键合图模型。由蓄电池系统的键合图模型推导出系统 憨数学模型。对s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 数影穗爨索及其定义遴行势据巍 李， 比较讨论了几种常用的s o c 预测方法后采用更加合理的辫法。利厢 m a t l a b s i m u l i n k 仿寞乎台，幽蓄电池系统黪数学模型建立了仿真摸型。 实现了某n i z n 蓄电池的动态仿真，并与实验结聚进行眈较得到了很好的效 果。将誉电池仿真模型接入到整车模型中，实现了整车的仿真。 基予上述工作，作者建立了一套完善的电动汽车蓄电池建模与仿真的体 系，为整车及控制策略的仿真提供可靠的依据。所建模型适合于所有液体电 诧学电涟。作者瓣工俸烫研究穰羧蓄电濑复杂静动态特经逶行了有效麓尝 试，开辟了新的思路，也为键合图理论的发展做出了贡献。 关键谜：电动汽车，誉毫遗，键舍强，建模仿粪 a b s t r a c t w i t ht h e e m e r g e n c e o f e n e r g y c r i s i sa n de n v i r m m l e n t a l p o l l u t i o n ，t h e l o w e m i s s i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o nc a rr e l y i n gm a i n l yo i le l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) h a sb e e np a i da t t e n t i o nt oa n dd e v e l o p e d i nt h ee a r l i e rp e r i o do fe l e c t r i cv e h i c l e d e v e l o p m e n t ，t h em o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e rh a st h ev i t a lr o l e a s t h ee n e r g y s t o r a g es y s t e m o fe v , t h eb a t t e r y p e r f o r m a n c e i st h e i m p o r t a n t a t t r i b u t eo fd e c i d i n gt h ee n t i r ev e h i c l e p e r f o r m a n c e ，a n dt h eb a t t e r y i st h e i n t e g r a t e ds y s t e mo fe l e c t r i c i t y , c h e m i s t r y t h et h e r m o d y n a m i c s ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c e x c e p t i o n a l l yc o m p l e x ，t h e r e f o r e t h e b a t t e r ym o d e l l i n g a n d s i m u l a t i o nr e a l l yi st h ei m p o r t a n tl i n ka n dd i f f i c u l tp a r t i a lo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e m o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o n i nt h ep r a c t i c eo f s c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e m ，t h ea u t h o r a p p l i e s t h e t h e o r yo f b o n dg r a p h t ot h em o d e l i n go f t h e b a t t e r yo f e v a f t e rf u r t h e r r e s e a r c h i n g ，a n dh a s r e c e i v e dt h ev e r y g o o de f f e c t ，a l s oo p e n su p t h en e wt r a i no f t h o u g h to f t h eb a k e r ym o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o n 弧ea u t h o r b r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no f m o d e l l i n g a n ds i m u l a t i o no f t h eb a t t e r ya n di t s t e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e mo ne va n dd i s c u s s e st h e r a t i o n a l eo fb o n d g r a p ha n di t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n ge m p h a s i s o nt h eu s ei n t h ee l e c t r i c i t ys y s t e ma n dt h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mi nd e t a i l ，a n do b t a i n st h e s t a t ee q u a t i o na tl a s t ，t h ei n e a n so f b a t t e r ym o d e l l i n g i sd i s c u s s e da n dt h em e t h o d o f e q u i v a l e n tc i r c u i ti sa p p l i c a b l e ，a n dt h er e f e r e n c em o d e li sa d o p t e db e c a u s eo f i t s h i g h e rp r e c i s i o na n dm o r er e a s o n a b l ea f t e rc o m p a r i n gt h es e v e r a lk i n d so f c o m m o n l yu s e de q u i v a l e n tc i r c u i t s ，m o r e o v e rt h eb o n dg r a p hm o d e lo ft h e e q u i v a l e n tc i r c u i to fr e f e r e n c em o d e li s 0 8 t a b l i s h e d a l s ot h et h e r m o d y n a m i c s c o n d i t i o na n de n e r g yf l o wo f t h e p a r a l l e l f l o wa i rc o o l i n gm o d e t h a ti so n eo f t h e m o d e so fb a t t e r y s t e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h eb o n d g r a p hm o d e lo ft h et e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e mi sb u i l t 。t h eb o n dg r a p h m o d e lo ft h eb a t t e r ys y s t e mi so b t a i n e db y c o u p l i n gt h eb o n dg r a p h m o d e lo ft h e e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h eb o n dg r a p hm o d e lo ft h et e m p e r a t u r em a n a g e m e n t s y s t e m f u r t h e r m o r et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb a t t e r ys y s t e mi sd e d u c e d t h em o r er e a s o n a b l ea l g o r i t h mo fs o ci sa p p l i e da f t e rd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c e f a c t o rt h ed e f i n i t i o no fs o ca n dc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gs e v e r a l c o m m o n l y u s e dc a l c u l a t i n gm e t h o d u s i n gm em a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o ns o f t w a r e ， t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e b a t t e r ys y s t e m i se s t a b l i s h e d 1 1 1 e d y n a m i c s i m u l a t i o no fak i n do fn i z nb a t t e r yi sr e a l i z e d ，a n dt h er e s u l t sa r ev e r yg o o d c o m p a r i s o nw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t a l s ot h ev e h i c l es i m u l a t i o ni sr e a l i z e d b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，t h ea u t h o rh a se s t a b l i s h e das e to fp e r f e c tm o d e l l i n g a n ds i m u l a t i o ns y s t e mo ft h eb a t t e r yo nev - a n di tp r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf b r t h es i m u l a t i o no fv e h i c l ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yt h em o d e ls u i t st oa l ll i q u i d s e l e c t r o c h e m i c a lb a t t e r y a u t h o r 。sw o r kh a sc a r r i e do nt h ee f f e c t i v ea t t e m p tf o r s t u d ya n ds i m u l a t i n gt h ec o m p l e xd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fb a t t e r y , o p e n e du p t h en e wt r a i no f t h o u g h ta n d m a d et h ec o n t r i b u t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fb o n d g r a p ht h e o r y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，b a t t e r y , b o n dg r a p h ，m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n 独仓j 性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也研i 包含为获得武汉理工大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期 武缓瑾王大学矮学位论文 第 章绪砉仑 1 1 番舞究的目的及意义 目前，汽车工业已经成为世界主要t 业化国家的支楗产业。方面，汽 车工盟懿飞速发疑给入稻萤柬了丈量懿簸韭辊会，豢柬了基颓瓣整，带来了 舒适与繁荣；另一方面，汽车给人类带来巨大贡献的同时，也每天都在大量 瀵耗地球上畜疆豹石澳资源，夔 放出大鼙弱有害气体，严重静污染了人类款 以生存的自然环境，给人类生存造成了严重的危辔。 能源危极和环境污染藏了当今世界发展的两大闻题。减少汽车尾气对大 气及环境的污染，拯救人类赖以生存的醇然环境，开发节能及采用替代能源 的环保型汽车，是当今世界汽车产业发展的一个匿要趋辫。世晃各国也都制 定了相应的标猴，一方藤陵翻使精排放趣标的汽车，勇一方面蕊綮研青开发 零排放汽车。于是以电动汽车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 为主的低排放节能汽 车得裂了耋稷积发震1 1 3 1 。 然而关键技术没有突破以及昂贵的成本使电动汽车的市场化受到了阻 褥。毫撼技末长期未熊褥以突玻，在功攀、快速楚电、环漂、毒务等方蠹或 为电动汽车发展的瓶颈。蓄电池作为电动汽车的动力源而成为电动汽车发展 黪关键，蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指橱，其能量密度决定了媳动 汽车一次充电的续驶晕耩，其功率密度则决定了电动汽车的加速性能和竣高 车速。因此，在某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术，电动汽车 麓否普及取决予电拖技术是否膏突破性进展睁“。 计算机模拟仿真作为强有力的工具许多领域已被广泛接受。在电动汽车 翡蓊掰开发中，诗算税禳撅镓龚蒸有重要俸璃。惫动汽车楚一个簸杂静系绞， 汽车技术涉及到多种学科，例如电气和电子工程、机械工程、汽车工程以及 纯学工程等。科学技术黢全瑟抉速发震，要求电动汽车懿设诗过程尽哥黪熬 炎活、即时和降低成本。建造实际的车辆进行实验的代价十分高昂，而计算 枫仿真不仅容易达到上述要求，两且可以搜电动汽车达到系统最谯。用计算 机模拟仿真电动汽车的j 陡能还可以缩短设计周期、提高汽车的性能和加快电 动汽车的研究开发及市场化p j 。尤其是在电动汽车各项理论尚未成熟以前， 稍焉模叛的实验研究方法，研究蔟往能的各参数对整车僚能的影响效果暖及 备个参数之间的相互影响关系不仅能及时发现设计中的问题，预见电动汽车 武汉理工大学硕士学位论文 的性能承乎，著熊大大缨短研制周期，避免不必骚的错误和损失。因此，电 动汽车仿真的研究也就很快发展起来了，同时也出现了众多的电动汽车仿真 软件和零部件建模方法。计算机仿真已经广泛应用于模拟汽车的动力性、经 济性、属气莽 放，预测续驶里程，电港系统的管蠖隘及菇位很多方面。 在电动汽车中，蓄电池的性能是决定整车性能的重要因素。因此，在电 凄汽车傍真中，罄电渣瞧糍熬仿粪是一令重要环节和关键部分。蠡然在魄池 输出和储存电能时看上去是一个简单的电能存储装置，假实际上鬻电池的动 态特性异常复杂，其充、放电过程涉及化学、电、热等多学科领域。在充、 藏毫过程中，蓄魄混兹备壤往麓参数，鲡电动势、内隧、蕊电凝态( s o e ， s t a t eo f c h a r g e ) 、库仑效率、自放电率、温度等，互相影响，存在着错综复 浓的关系，具有舞疫非线性。露罄电浊产生的热熬使其囊身湿度升高，对嚣 电池的整体性能产生显餐影响，进而彩响电动汽车的性能1 8 t ，困_ 眈必须筏电 池温度保持在正常的工作温度范围内，以使蓄电池综合性能最佳。电动汽车 在行驶避程中，其蓍电波又楚予宠、坡毫交营遴蟹鲍获态。这些郯绘蓄恕漶 的建模仿真带来很大困难。对于潜电池系统的建模仿真，目前尚没有有数的 方法，尤其是对誉电池潞度管理系统的建模仿真。目前常用的蓄电池模趟有 内阻模蘩、隧骞模垄等多释，共鞠特点蹙逮爱幢不强，精度不毒。两对淤度 管理系统的建模则做了过多和过于主观的假设和简化。因此，对蓄电池建模 鄹仿真遴行全耐系统的研究是非嚣必要黝。 1 2 圈内外发展现状 我圈龟动汽车的开袋应蘑己弓| 起广泛差裰，窀动汽车骈镶确入了“a 五”、 “九五”以及“十五8 6 3 ”规划，计算机模拟仿真在其中是必不可少的【9 】。 警藩蓬赛上豹许多鼹研毒趸擒基缀矛发出多释关予邀动汽车静访粪敬斧鞠程 序，如荑国国家再生能源实验室( n r e l ，n a t u r a lr e n e w a b l ee n e r g yl i b r a r y ) 开发静a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 、美潮设在芝糖哥大学的 a 娼o n n e 国家实验室( a n l ，a r g o n n e n a t u r a ll i b r a r y ) 开发的p s a t ( p o w e r t r a i n s y s t e m a n a l y s i s t o o l k i t ) 、意大剥困家能源与环境处( e n e a ，i t a l i a n n a t i o n a l a g e n c y f o re n e r g ya n de n v i r o n m e n t ) 和比萨大学( t h e u n i v e r s i t yo f p i s a ) 静 电力系统与自动控制系( d s e a ，t h ed e p a r t m e n to fe l e c t r i c a l s y s t e m sa n d a u t o m a t i o n ) 合作开发的h y s i m ( h 婶r i d e l e c t r i cv e h i c l e ss i m u l a t o r ) ，以及 i t v e c 、s m a r t i e v 等。国内对电动汽车建模仿真软件的研究和开发较少， 囊教弯帮燹魏，藏汉瑗王大学汽车工程学藏承整开发豹混台动力电动汽车 驱动系统计算机模拟及殴计软件开发项目是熟中之一。 e 遮仿真软传均基予m a t l a b s i m u l i n k 平台开发，但嫠 譬靼整车建模 武汉理工大学硕士学位论文 及糖真的方式各不嫂同。以应用最广的a d v i s o r 仿真软件为例，其按部件 功率以前向和后向的方式对电动汽车及传统内燃机汽车的动力髓能、燃油经 济性及排放和各部件的性能进行仿真【1 0 j 。而承担混合动力电动汽车驱动系 统计算税模手龌及设计较件开发项露繇开发的仿真较件b o n d h e v ( b o n d g r a p hb a s e ds i m u l a t o ro f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，创造性的采用键合图方法 实魂了鄢 孛积整车赘建搂傍囊，为国际首剖。 作为能量存储系统，电池是电动汽车的重要部件。因此电池的建模与仿 真藏成为邀动汽车建挟与仿真憝关键部分。逛洮鹣牲熊是否达到颈裳豹塞 标，可以通过建立仿真模型来谶行预测。随着电动汽车仿真研究的发展，电 波荫真模型也出现了多釉，如内阻模型、阻蜜模型、季孛经网络模型等。从历 年的e v s ( e l e c t r i cv e h i c l es e m i n a r ) 年会论文发表情况来看，国内对电动汽 车用电池仿真的研究成果尚不多】。 l - 3 课题来源及主要工作 作者参与了教弯部熏点科接磺鋈混合动力邀凌汽车驱动系统计算极模 拟及设计软件开发( 项目编号：重点0 2 1 7 5 ) ，该项目怒由教育部资助、由 鬣汉理 ：= 大学汽车工程学陡羲搀开发。域基主要磅究痰鸯： ( 1 ) 对转换装置和储能装鼹进行单元技术特性的研究，从而建立适于 系统分椒的单元模型，并建立数据库。上述装置包括传绒内燃动力、毅型内 燃动力、化学电池、燃料电池、超级电释器、主要型式的驱动电机等； ( 2 ) 对混合动力电动汽车驱动系统的各种组合和避接方式进行分类研 究，并鼹出混合系统合遴侄准剐，在垂e 纂襁上建立混台动力窀动汽车骚动系 统单元集成网络； ( 3 ) 磺究不弱应蠲祭 孛窝工况蘩俘下，混合动力电动汽车隧燃瓣经济 性、最低排放、黢小能檄损失等为综合目标，以电池充放电要求，电机蜜全 嫖护等为限定条搏爨控制蓬略积方法： ( 4 ) 建立以研究混台动力电动汽车驱动系统方案和控制策略为目的的 攀辆系统分析摸型和软件，著用此软件对各种混合动力方案进行分孝厅比较， 对所研究的控制策略和方法的有效性进行理论评价；为混合动力电动汽车驱 动系统设计提供指导性原则和设计参数选择方法。 作者有幸参与负责礞匿中的软件设计、源代鹃开发和储能装鬣建模部分 的工作，论文所做的工作既是来源于此项目。 亟堡堡三查堂堡主堂堡堡兰 一 论文的主要工作是在参阅大量国内外大量相关文献和对蓄电池建模进行 深入研究的基础上，学习和研究键合图建模理论，并将其应用在电动汽车蓄 电池的建模中，实现了蓄电池的动态建模仿真，收到很好效果，使项目得以 圆满完成，为蓄电池的建模仿真开辟了新思路。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章蓄电池仿真模型现状 近年来，随着对电动汽车建模仿真研究的深入，电动汽车用蓄电池的仿 真模型也出现了多种，比较有代表性的如内阻模型、阻容模型、神经网络模 型等。下面对常用的这几种电池模型和温度管理系统建模进行介绍。 2 1内阻模型 在当前的电动汽车仿真软件中，电池模型主要采用内阻模型1 2 ，”l 。内阻 模型将电池看成一个理想电压源和一个电阻串联的等效电路，如图2 - 1 所示。 u 图2 - 1 内阻模型等效电路 图中，电压源e 为电池电动势，近似用开路电压代替；电阻r 为电池内阻。 两者受多个因素影响，数值随电池状态是时时变化的。通常只考虑主要影响 因素，a d v i s 0 r 软件的内阻模型将e 和r 均看作荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 和温度t 的函数；而参考文献 1 4 1 中的内阻模型将电压源e 视为荷 电状态s o c 和温度t 的函数，将内阻视为电流i 和温度t 的函数。 蓄电池容量随负载变化的关系早在2 0 世纪初就由p e u k e r t 提出来了。 p e u k e r t 方程也称为蓄电池容量衰减方程，在蓄电池放电特性的理论研究中被 广泛承认并采用“4 j ： q = i ”f 式中，9 一蓄电池放电容量； 卜蓄电池放电电流； 行一p e l l k e r t 常数，不同类型电池取值不同 式( 2 - 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 r 蓄电池放电时间。 通常内阻模型的计算如下【1 4 小】 u eir qojldtsoc = 蔓l q 式( 2 - 2 ) 式( 2 3 ) 式中，( 卜电池组开路端电压： 卜电池组电动势； 卜一电池组电流，正值表示放电，负值表示充电； r 电池组内阻； s d c 电池组荷电状态； q o 电池组初始容量： q 。电池组最大容量； 卜_ 充放电时间。 等效电路中的参数e 、r 由实验测定。在仿真应用中，可由实验数据根据影 响变量查表得到，或由实验数据拟合为影响变量的多项式。 内阻模型的优点是模型简单，参数的测定较简单容易，建模仿真易实现， 有一定通用性；缺点是精度不高，不能很好的体现蓄电池特性在充放电工况 变化时的过渡过程。 2 2 阻容模型 阻容模型由s a f t2 - c a p 模型演化而来【1 3 】，将蓄电池等效为由三个电阻和 两个电容组成的混联电路，如图2 - 2 所示。电容c b 较大，代表电池存储电 荷的充裕的容量；电容c c 较小，代表极化效应。阻容模型和s a f t2 - c a p 一样 可以反映阻抗效果。较之内阻模型，阻容模型更能精确的反应电池在充放电 时的动态特性。 武汉理工大学硕士学位论文 阻容模型的状态方程为 输出方程为 图2 - 2 阻容模型等效电路 11 l 型1 一型1 + i l 略1 c 。 。+ r 。)c o 。+ r o ) j u r c 。 。+ r 。) r 。 c o ( r 。+ r 。) 仆溉彘纠+ 卜罴p 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 式中，k b _ 一电容c b 的端电压； k c _ 电容c 。的端电压； ，电池组电流； 一电池组开路端电压； r 。、r 。、月厂分别为等效电路中对应的电阻； c b 、c c 分别为等效电路中对应的电容。 由状态方程可知，阻容模型是二阶模型，包含两个不能直接测量的状态 量：k b 和k 。即使在实验室条件下，k b 和k 。也不能直接测到。因而阻容 模型状态观测器设计困难，不便为控制策略采用。且等效电路中电容和电阻 武汉理工大学硕十学位论文 的参数测定困难，数据处理复杂。上述餐使隆骞搽整的广泛臌躐受弼嚣翻。 2 。3 孝牵经网络模粼 仿照生物神经网络，人工神经网络是由许多简单的并行工作的处理单元 缓藏抟系绞，箕功能取凌予网络的缭梅、迄缝强度驳及单元麓处理方式”。 肄经确络蒸有赢液瀚并行结构郓势行链理能力，其有任意j # 线镌映射镱力， 可敬数会薅度非线蛙数捺，通过训缝进行学习够鑫适废榉零数据，有拔赂 的耐故障能力和较快的总体处理能力隅聆】。 毒予耱经网络豹众多优点，将蘩应瘸在高爱嚣线往熬电动浚车蓑龟涟戆 建模仿冀中，霞潞瑗了稀经丽络模鏊。神经霭络模型的特点怒繇形成模型前 必须用训练样本对其进行训练，因此神经网络模测只有在处理训练样本范围 肉的鼗攒时有缀始豹效袋，这健箕程奄滤建模中舱应震受到了黻麓。 臣a d v i s o r 软穆为铤，其蓄逡遗貔毒孛经潮终穰鍪甏委鞫袋b p 爨络， 羧入淹穗搴秘s o c ，辕掇先毫滚耧魄匿，蠲练群零来蠡u s 0 6 王涎。稷爨_ l ； | 练样本的数据范围，模烈的应用范围是： s o c ：0 2 7 0 ，7 4 ： 功率：放逸辩汝1 2 0 0 w 充邀辩翡7 5 0 w ； 电流：放电孵的8 5 a 充电对豹7 9 a ； 电鹾：9 5 v 1 6 9 v 。 因为在竣大豹滠凄范翻肉不可熊褥至l 潼震熬训练榉本数撵，艨_ ；麸模型中没有 考虑电港滠度，篌露真精度受羁禳大影镌。 综上所述，由于神缀网络自身的特点，使其猩蔷电池建模中的应用受到 了援大辫铡，模型建立懿 戆实验复杂，接鳖建立戮鼹，佬囊鞲艘缀难提舞。 2 4 温度管理系统 由于激度对鬻电池性能有着驻著影响，因此必须设立温度臀潍系统，对 蕾电池温泼进行蠢效的管理和控测。对滋度管理豢统进行建横鼹誊邀遵建模 戆美毽豢分。然嚣交予热办学系统静复杂注，毽懿对誉巍涎瀑发管理系筑豹 建模仿真都是建立在过多和过于主观的筒化和假设的基础上。 在a d v i s o r 软俸鞠p s a t 软彳牛中筠采用豹鞠简的方式冀辩常用酶嗽滟 缒布置形式的温度管壤系统进行建模。戳a d v i s o r 款韩必例f 2 0 】，其所用黪 空气滚冷帮熬嫠褥示意图始嚣2 - 3 掰示。 武汉理1 ：r 大学硕士学位论文 图2 - 3 , a d v i s o r 用散热系统结构示意图 图中所示为平行气流空气冷却的结构。a d v i s o r 软件对其谶行了简化， 假设流经每格电池的散热空气的流量和濑度均相同，并只对单格电池进行建 禳。 a d v i s o r 模型对单格电池温度( 视为电池组平均温度) 和蹦口空气温 霾涟车辆运行王况帮嚣瓣懿交纯送行蓣蠲傍奏。瞧遗霹教热空气之阗豹秘燕 方式是传导和对流的组合。当电池温度未达到设建温度时，散热系统不启动， 裁瓣为囊然对滚；当达型或超过设定湿度黠，散热系统熬飙翕囊澳，魏羽为 强迫对流。电池和箱体( 包括箱体) 之间等效热阻为： r 。：一1 + 二 “ 4 觅4 9 式( 2 - 6 ) 武汉理”r 大学硕士学位论文 强 气 瓦。一。 式中，r 。一电池和箱体之间散热空气的等效热阻 卜敖煞空气静热传导系数； 爿暴褥在散热空气中的电池的表面积； 象一簇体戆热导搴： f 箱体壁厚度； p 教热空气密度； r h 。散热空气的质量流量； 死。电池温度； 霸。散热系统设定温度。 散热空气带走的热功率( 热流) 为： = 警 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 式中，魏。数热察气带走购热功率； 广散热空气温度。 散热空气因接受电池传鲶的热量两温度比环境滠度略高，a d v i s o r 模型假 设散热蜜气从窀沲带走静总燕量的5 0 被自身啜收而温度升高，羽空气溢度 为： o l 。+ 磐 式沼9 ) m m r c d ， 式中，瓦舢环境湿度； 腑。，散热空气的质量流量； 。九m f _ 一散热空气的等压比热； 电澄产雯的热量由电沲静库仑效率和内隰的损耗计算，电沲温度为： 1| 鳖涮 ，义 m 、 = 舞 武汉理王大学硬= _ ? 学位论文 又；= 式中，g 。舻。电池产生的热功率； t r i e s 。电池质掇； 。s _ 一电池的平均眈热。 a d v i s o r 软件的散热系统模型作了过多的简化和假设，其对散热空气 带走懿憨热量的5 0 被鑫身吸收两溢度升高的假设过予主蕊。而且只对肇格 电池进行研究，没有从电池组整体布置结构的系统角度，考虑不同布置结构 黯教热效莱熬影晦。惑之，当蘑对蓑毫溅湿凄管理系绞黪建摸羧瘦鞍 褒，遗 没有有效的方法。 2 5 小结 本章对应用较广的几种主要蓄电浊模型中的三神及当蓠藿电池温度管 瀵系统建模情况作了简臻介绍，其他的鬻电酒模型还有很多，虫i l a d v i s o r 软件中的铅酸原理模型等。这些模型各谢优缺点，但对帮电池的模拟尚不尽 人意。 然而动态特性异常复杂的蓄电池可以利用功率键合图( b o n dg r a p h ) 方 法避行蠢效装建穰镑囊。蕃毫港瀑度警纛瑟统终舞燕滚体系统，獒复杂鹃葫 态特性也可以由功率键合图通过适当的谂径进行有效的模拟。 塑 詈 翌 q 一 武汉理王火学颁 ? 学位论文 第3 耄键金豳理论及疲用 二 稷瀑统极其复杂多样，一个系统不仅涉及肇能羹范畴，往往是多萃孛 越量范酶鼹鹚台。通常备警争系统的动态努扳方法，从建立模型到列出数学公 式，大郝仅通用于某一种能量范畴或特意类型的系统。镳台图( b o n dg r a p h ) 理论疆袋了一秘统一处毽多耱l 鲎莲酶酌：互程系缝熬动悫分聿厅方滚。它褥多 稀物理参基统一恐归纳戚鲻释状态交羹，邵势、流、燮彼和动黎豫量。黼时 采用了表征凝本物理性能和描述功率变换及守憾的藤本连接方戏的十一”种 元俘，裁可泓椽l 攥系统巾珐率黪方羯，按慧麓宠步骤窳锻定系统毵键台戮攘 鼙并确蠢竣态方程。蚕澎鞠数学绉述熬统格式使遮释方法其鸯专分容效弱 功能。努巢激吸遥当的计黪壤褒净，冀黉裁定令完全壤广定囱熬键合鹣搂 型，并作为计算机的输入，就可以得到猩给定激励下系统动态响臌的仿真结 鬃器i , 2 2 1 。 这静方法在蠢卡霉健露翔蠢联。p a y n t e r 毅攫穗盘，缝蠢由d 。c k a m o p p 靼r c r o s e n b e r g 等作了大量工作，现融在美、赫、澳、德、加濑大等阐一 些大学中稻子教学帮科研。我国一些大学也在研究魔闻，如大矮矮王大学、 熏痰丈学、漓i e 工韭太攀、齐芬蹬尔大攀等； 3 1 键合圈理论概述 真实携疆系统爨动力攀鹾突中戆主爨恩怨蔻熬系统搂鳖鼗。备辩蓉绕豹 摸鏊都爨弱皋羧瓣嚣磅襄系统熬孬为纛 乍了麓偬弱攘象纯夔产稳，数学攘翟 便是其中之。数学挟黧辩思以预灏系统对各输入惦号在菜a 个方蘧的酶 应。 出予摸裂必定是真实羝统的麓化，掰以拇造模型霄诲多技巧。个过于 复杂窝详尽鹋模鍪遣谗稳鸯实舔上无双结计蕊诲多参数，或者事察上不掰链 避 行分析，即使能够分桥，也会使重要昝案同不相干的细节混淆丽洋的模糊 不溘。稳蹩，一个遂予篱豫静穰霆又将麓示不密麓簧浆效栗。霹诧，重要翡 楚要认识到。没商一个鬃统戆够被模他的丝毫甭差，蕊基经餐个称职戆系 统设计毒帮惑须掌握一耱稳造不隧复杂稷爱瓣系统模疆黪方法，戳谯旎够援 到最简明的横型来回答关于所研究系统的问题。 采用键会阁理论，可以只用缝穗当少敦理想元髂泉擒造电、磁、飒槭、 滚基、气凌、热露英毽系统戆搂鬻。运遥些菰疆步骤藏霉邃这些模型转换 武汉理王大学硕士学位论文 成状态方程或计算机仿真方案。 3 i l f l 系统鞫缝合餮 为了潮逡菜系统躺模囊，潺常必簸先把系绕分解成能够摸楚纯或露髓 加以实验磋究朗一一些较小部分，然后把这些部分媳会成系统模型。系统的各 个主要部分称为子系统，子系统晌基本部分称为元件。 对系绞热褛瑟莱露豹熬零步骤：蓑先，识羯主要豹子系统并磷究把予系 统连接怒来的方法；然盾，举g 蔫鞠互俸掰的物理系绞必然传递功率遨一一事实， 使已互逢的各予系统的捎谶统一起来。 器孑系统能够穗互逐接蕊邀方，藏蹙功率熬在予黎凌之窝滚动戆遮方， 稼为“逶墨”。哭鸯蕈一溪疆兹予系凌舔为i 一逶鲻，繁嚣令逶霹戆系统称舞 2 逶墨，如北等等。銎3 。l 掰示魄动枫予系统兔2 通日予系统。予系统土标 注了若干变嫩转矩、角速度、电压、电流，变撼是在予系统w 能和其他 予系统臻接褥形成系统熬她方成对爨璃懿。 蛾戢枕 踅3 - i2 - 逶疆系统 图3 一l 所列举的各通翻的变避，称为功率变麓，闲为两个作为时间函数 的变量，其舔积就是在鼹个多通口间流动豹瞬时功率。溉然两个多通口连接 蛙憨会爨瑗功率鼹穗互撵穗，毽藏把不阍功率按照一瓣善遮透露的髂系采分 类，并且用种共同的灌商来描述所有形式的多通口就很有用处了。所有功 率变羹帮稼话势或滚，臻褥号e ( o 帮夕苏表示番释势释滚嚣萋郡楚辩闼豹函 数。 流入或流穗拿逶强的瀚搴p 国可褒示袁一令势变鬟簌一个滚资量瓣象 积，所以用广义表示法把功率写成下列液达式： 残磅一# 炎式( 3 。 ) 垂望堡兰茎；兰堡主兰竺堡墨一 在动态系统中，势和流变量以及功率都是随时间而变化。描述动态系统 辩另穸 还有薅耱澎式靛变量逛缦蓬要，裁莛魂量p ( 痧霸变经g ，穗为镌量 变量。动量被定义为势变量的时间税分，即 p ( f ) = f e ( t ) d t = p 。十f 口( f ) d t 变位变量是流变盛的时间积分 g p ) = 杪o ) d f = 鼋。+ l , f ( t ) d t 流入竣滚惑个通日的毙量e 0 是功率p 熬过闻积分： e ) 一f v ( t ) a t = 孓( t ) f ( t ) d t p 鞫譬被称为能蛩变量罴因为：国式( 3 肆) 可敬梅嚣 e ( t ) - - f e ( t ) d q ( t ) = j f ( t ) d p ( t ) 式( 3 - 2 ) 式( 3 3 ) 式( 3 - 4 ) 式( 3 - 5 ) 因而能墩不仅可装示为时间的函数，也可用一个能量变擞的函数来表示。 表3 - 1 列出了各状态变量在不同物理系统中所代表的物理意义。 袭3 - 1 各状态变嫩的物理意义 广义变鬟梳辍平动橇槭转动液压系统惫系统燕系统 势p 力，转矩r压力p电压“绝对温度丁 滚，速度v囊速凌“搭弦流量q毽漾i熵流s 动餐p动量p 角动量 雁力动量风 磁通量函 变豫g 佼移盖囊#露积v 电簿q 熵s 武汉理工大学硕士学位论文 x , 陲q3 - 1 所示的2 - 通口电动机子系统进行研究前，往往先对其进行抽象 和简化，抽象和简化后的模型示意图如图3 2 所示。图中用“电动机”一词 代表该装置，直线段表示各通口，半箭头表示功率的流向，并规定：势变量 写在通口线的上方或左方，流变量写在通口线的下方或右方。当把两个通口 耦合在一起从而它们的势和流等同起来的时候，就认为这两个通口具有一个 公共键( 直线段和半箭头) 。 l 电动机l 6 0 i 图3 2 抽象和简化后的电动机模型 一个键合图是由代表功率键的一些直线段连接在一起的子系统所组成。 图3 3 所示为电池电动机泵组成的系统的模型，图中各子系统用词 表示，就称为词键合图。这样的键合图确定了多通口子系统、各子系统键合 起来的方式、子系统各通口处的势和流变量以及功率交换的符号约定。 专泵电池 图3 3 电池泵系统的词键合图 在对多通口系统的动态特性进行建模预测时，出现了输入和输出的概念， 或等效地说，激励和响应的概念。每一通口处既存在势变量也存在流变量， 但只能控制两者之一，而不能同时控制两者。图3 3 所示，将电压加给电通 口，此时电压为输入变量，电动机以适当的电流响应之，电流就是电动机的 输出变量。多通口的每一通口或键上既有势也有流，这两类变量被表示为成 对的信号，且只能令两种信号中的一个作为输入，另一个作为输出。在键合 图中，规定何者为输入和输出的方法上利用因果线。因果线是画在键或通口 线一端的一根与其垂直的短线。因果线指出势信号所指的方向( 也就意味着， 键的没有因果线的一端就是流信号箭头的指向) 。图3 3 中已画出因果线。功 率流半箭头符号约定和因果线是完全独立的。输入输出因果关系的研究，是 键合图独有的有效特点。 武汉理工大学硕十学位论文 3 1 2 基本元件 上一节中，根据功率交换和外部通口变量的观点，把真实器件作为子系 统来考虑。本节中定义了一组基本多通口，用它们能详细地作出子系统模型。 这些多通口起着予系统的组件作用。值得注意的是基本多通口是用来模化某 一器件中物理效应的，而不能与该器件的具体组件一一对应。 应用上一节提出的键合图和功率与能量变量的分类方法，结果证明只需 要很少几种多通口基本元件就能表示多种能量范畴的模型。键合图符号与状 态方程相比，或与其它的只为单一能量范畴制定的图形符号，即信号流而非 功率流相比，往往能更容易地使系统的面貌形象化。 3 1 2 1 基本1 一通口元件 一个单独的功率通口，其通口处只存在一对势和流变量，称之为卜通口。 将依次考虑耗散功率、贮存能量和提供功率的元件。 卜通口阻性元件是一个在其唯一的通口处借静态函数将势和流变量联系 起来的元件。图3 - 4 表示了阻性元件的键合图符号。 - r ， 一 图3 - 4 阻性元件的键合图表示 其势和流变量的函数关系可表示为 e = 。( ，) 或f = 中：0 ) 式( 3 - 6 ) 此函数可以按两种方式来理解：( 1 ) 若给定流则可求得势；( 2 ) 若给定势则 可求得流。当e 和间的关系为线性时，该阻性元件为线性阻性元件；反之， 为非线性阻性元件。对于无源阻性元件，用指向阻性元件的半箭头来建立它 的功率符号约定，即半箭头表示功率流向，当g 和厂的乘积为正时，功率流 进通口。通常，阻性元件是耗能元件。 卜通口容性元件是在通口处势和变位之间存在静态组成关系的元件。容 性元件贮存能量和释放能量，而无能量损耗。图3 5 表示了容性元件的键合 图符号。 武汉理：f 大学欲士学位论文 一e ， 一 ， 鹜3 - 5 鸯滢元譬；= 盼涟舍蘑表示 势鞠变像交嚣懿函数关系可表示为： e ( f ) = f e ( t ) f ( t ) d t + e 。 0 戒( 3 - 7 ) 键上的半箭头淡示功率流两，圈3 。5 表示流肉容瞧元件静功率，鼓表示农任 时刻f 贮存子容性元件的髓量。在t