快速教学|蓄电池二阶RC等效电路模型
GCKontrol
1.1 模型建立要点
1.1.1电路模型的逻辑结构图
1.1.2 原理说明
电池仿真模型是为验证模型中参数设置的正确性，故其输入为电流，输出为端电压（实际电池管理系统中，电流和端电压都为输入量）。
1.1.3 建模步骤
1.1.4 模型选择
根据需要选择，不同的电池等效模型对电池建模精度和准确度的影响很大，同时，越复杂，精度越好的模型其运行越复杂；在以上几个模型中，含有RC的等效电路精准度较高，且RC阶数越高，精准度越好。
2.1最简单的模型
理想电压源，输出电压等于OCV，且不随电流变化，显然是误差最大的模型。
2.2添加SOC相关的OCV模型
Z表示SOC。
该模型，采用与SOC相关的OCV改进模型，相当于理想的电压源由值等于OCV（z（t））的受控电压源代替，减小了模型误差，如果再考虑温度T，OCV（z（t），T（t））则误差进一步减小。（查表法和插值的方法容易处理）
2.3增加等效串联电阻R0
这符合我们对于电池的认知，输出电流，有压降是很自然的，模型精度进一步提高，注意电池的电阻通常是电池SOC的函数，同时也是是电池内部温度的函数。如果在R0中考虑这些Z和T的依赖性，则继续提高模型精度。
2.4增加扩散
极化是指由于电流通过电池而导致电池的输出电压远离OCV的任何偏离。前面的等效电路模型中，通过i(t)×项建模了瞬时极化。但真实的电池具有更复杂的行为，例如，输出电流时，电压极化随着时间缓慢地变化，停止输出电流后计划随着时间缓慢衰减。
因此，增加RC并联电路。
通过调整RC的值，可以近似电压随时间的曲线变化。同样，使用两个或更多个RC并联子电路的电路中可以进一步提高模拟精度。一般来说两个RC可以得到足够的精度同时没有过大的计算能力要求。
同样，注意到电池的扩散电压响应通常是电池的SOC及其内部温度的函数。如果将和建模为z(t)和T(t)的函数，则可以更近一步的提高模拟精度。
2.5蓄电池二阶RC模型
了解和掌握电池的基本特性是建立准确电池模型和提高 SOC 估算精度的前提，本工程展示了蓄电池二阶RC模型，对电池的电压、内阻、容量等外特性进行描述和分析，等效电路图如下图所示：
图1 蓄电池二阶RC等效电路模型
在如图所示的等效电路模型中，只有确定的值，才可以完整地确定该模型。在电池处于稳态或者是离线状态时，通过脉冲充放电实验可以计算得到这些参数，但是在实际应用的过程中，电池处于工作状态，很难用典型的信号实验来得到模型参数。并且这些模型参数具有时变性，受到很多因素的影响，比如：电池的温度、SOC和老化程度等。
上图中公式符号含义如下表：
根据上述蓄电池二阶RC模型中，可以得到以下关系式：
以上公式得到：
电池模型参数如下：
Cb =19.8636*3600*10F；
表1 SOC与蓄电池模型参数对应表
表2 20℃和80℃下SOC和OCV关系表
输入：Iout。Iout>0,表示以电流Iout速率进行放电；Iout<0,表示以电流Iout速率进行充电；
电池温度Temp =20℃，Rd=1000ohm，Rs=1ohm。
输出：Vout。
在GCKontrol里，我们根据上述内容，建立如下模型：
图2 工程模型图
图中白色框为模块，蓝色框为虚拟子系统。虚拟子系统在仿真过程中不起实际作用，主要是为了从框图上进行程序的层次划分以及保持模型的图形界面的整洁性。在形式使模型变得有层次感，增强模型可读性，在代码生成时会将其内部一一展开。
5.1 电池参数
图3 电池参数子系统内部
将模型参数以csv文件导入到GCK的一维插值表中，使用GoTo/GoFrom模块，让参数在不同子系统中传递。
5.2 并联电阻
图4 并联电阻内部
此部分搭建的是开关电阻，在电池参数中设定开关电阻为1Ω，内部放电电阻为1000Ω。当开关关闭时，Switch传入的值为0，故上半部分不工作，此时只有内部电阻工作，外部电流随着时间而变化，且每时刻的值固定；当开关开启时，上半部分传入参数，此时输出的为外部电流和流过并联电阻的电流之和。
5.3 电池模型
图5 电池模型内部
根据如下公式搭建模型
我们可以在仿真过程中，查看每一个调度周期的数据。
如下图所示，通过导入一维插值表，规定在第63秒前电流为正，是放电过程；在第63秒后电流为负，是充电过程。
从视频可以看到，在第63秒前，电流为正、电容电压增高，电池本身的荷电与电压降低，此时处在放电过程中；在第63秒后，电流为负、电容电压降低，电池本身的荷电与电压增高，此时处在充电过程中。
输入电流如下图：
图6 电池电流趋势图
电池内部电容C1和C2两端电压，如下图：
图7 C1和C2两端电压
电池荷电状态和电池电压，如下图（红线为开路电压，稳定在4.2V左右）：
图8 电池荷电状态和电池电压
6.1 电动汽车
电动汽车是以车载动力电池为主要能量来源，部分或全部采用电机驱动的汽车，是机械、电子、微机控制、电力等多学科综合应用的高技术产品。按能量来源和驱动原理不同对电动汽车进行划分，一般可细分为纯电动汽车(Pure Electric Vehicle, PEV)、混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)和燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)三种类型。
电池管理系统(BMS)作为电动汽车监管电池的重要部件，通过实时检测电池外特性并估算电池荷电状态，既能防止电池不合理的使用，从而保证电池使用的安全性和长寿命，又能最大限度发挥电池的性能，提高电池容量和能量利用率。
合理有效的电池模型和 SOC 估算方法是提高电池 SOC 估算精度的有效途径。由于电池工作时参数与状态的时变特性，电池模型参数估计与 SOC 估算都需要在线进行，因此建立合理的电池模型，研究模型参数和 SOC 的在线估算方法具有非常重要的实际意义。
6.2 航天-卫星蓄电池
“天绘一号”在光照区由太阳电池阵对镉镍蓄电池组充电，以电量计为主、V/T为辅控制充电。卫星进入地影取时，由蓄电池组为星上仪器供电。在光照区出现峰值功率时，由太阳电池阵和镉镍蓄电池组进行联合充电。
“天绘一号”卫星选用18GNF155镉镍蓄电池组作为储能电源，采用55Ah单体蓄电池，由18只单体电池串连，分为2个物理模块，每模块由9只单体电池串联组成。
6.3 航空
飞机上选用的蓄电池产品主要有镉镍蓄电池以及锂离子蓄电池等。锂离子蓄电池具有比能量高、低自放电、循环性能好、无记忆效应等优点，在航空航天领域中应用范围越来越广，是目前最具发展前景的航空蓄电池。
目前，在民用航空领域进行商业化应用的锂离子蓄电池只有B787。B787作为第一款多电飞机，对电源容量的需求相比以前其它机型提升了非常多，因此对应急电源的容量需求及安全性也提出了较高的要求。B787采用了由法国Tales从日本汤浅公司采购的锂离子电池作为主蓄电池及APU蓄电池，成为了全球首款在飞机安全关键系统中采用锂离子电池技术的民用运输机。
6.4 电池火车
磁悬浮列车电磁力事先立车与轨道间的无接触悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。原理就是电池提供直流电，直流电通过线圈形成直流磁场，吸附在电池上的磁铁对磁场有吸引或者排斥的力，于是电池就像火车一样自动的跑了起来。
6.5 内燃机
蓄电池是内燃机车重要部件之一，其用途是，供柴油机启动用电；柴油机停机时，供照明及少量控制电器用电；机车运行中若启动发电机QD因故障而停止发电时，供机车控制电器用电，以维持机车做应急运行。
蓄电池是一种电能贮存装置，对它充电时，将电能变为化学能，并贮存起来；工作时，将化学能变为电能，供电器使用。它属于“二次电池”，可返复充电使用。
蓄电池分为酸性和碱性两大类。酸性蓄电池的电解液为稀硫酸，极板主要是用铅做的，故又称铅蓄电池；碱性蓄电池的电解液为碱液，极板主要是用镍铁或镍隔做的，故又称镍铁或镍隔电池。酸性蓄电池制造费用低，放电大，适于内燃机车使用。
6.6 电焊机
蓄电池电焊机原理是利用电感线圈的自感电动势起弧，根据电瓶的电流大小和线圈的阻抗，来持续的维持电弧，达到焊接的目的。电瓶容量越大，焊接的时间就越长。电压越高，起弧更容易，焊接电流也就越大。一般在36--60伏直间最适宜。是纯直流焊机，可焊接除铝以外的各种金属焊条，使用时可自行调整，并注意正极或负极搭铁。
6.7 数码设备
6.7.1手机
锂离子蓄电池是一种新型电池，因其具有体积小，质量轻，比能量高等优点在移动电话上得到广泛应用。移动电话用电池是以锂离子蓄电池为核心，加上保护电路，然后再按移动电话的结构要求设计塑胶外壳及电极。手机用智能锂离子蓄电池测试仪面世后，因其是第一种具备保护功能测试的仪器而受到欢迎，其独特的万用电池夹具和保护电路测试方法同时获得国家实用新型专利。
6.7.2 笔记本电脑
夏季雷电频繁，采用交流供电的笔记本电脑很容易遭受雷击。为了安全起见，在雷雨天，不得不经常对电脑实施关机，拔去电源插头。频繁开关不但麻烦，而且会缩短电脑的使用寿命，还有可能使数据丢失。若将电脑改为用铅酸蓄电池供电，则该难题可迎刃而解。
