一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方法及系统与流程

1.本技术涉及电池储能系统性能分析技术领域，特别是涉及一种锂离子电池组运行状 态的数值模拟方法及系统。


背景技术：

2.随着储能技术的发展，锂离子电池以其优异的性能、高度的商业化越来越受到重视。 为实现锂离子电池储能系统的优化配置和高效运行管理，需要评估锂离子电池组使用过 程中的性能特征变化规律，从而确定合理的储能规模和相匹配的电池管理策略。
3.电池组性能评估、关键影响因素分析以及电池管理算法验证的传统方法是进行物理 实验。例如：对电芯在设定工况和环境温度下进行连续充放电测试，可获得电芯使用寿 命数据，用于指导电动汽车或电网储能电芯型号选择和数量配置。然而，随着电池储能 规模增大和运行工况复杂程度的增长，物理实验面临经济、时间和人力挑战。于是，为 克服物理实验方法的上述缺点，产生了基于数值计算的模拟仿真方法。
4.目前，基于数值计算的模拟方法通常将电池组等值为一个电芯进行建模，根据这个 电芯的性能来评估整个电池组的性能，且以电池某一方面的性能为主要分析对象，通过 建立模型描述电池电气状态、热状态或老化状态的变化过程。例如：在bms(battery managesystem，电池管理系统)中，通常采用单个电芯等值电路模型建模电池组，利用等值电 路模型对电池动态进行荷电状态估计。
5.然而，现有电池组数值模拟方法中，以一个电芯模拟整个电池组特性，无法考虑电 池组内不同电芯间的不一致性；而以电池某一方面的性能为主，不能反映电池的电
‑
热
‑ꢀ
老化特性间的耦合影响。因此，现有数值模拟方法虽然扩展了电池组性能分析规模和范 围，但因无法反应电池组内不一致性和电池电
‑
热
‑
老化三方面特性的交互影响，导致仿 真模拟精度不够高。尤其是在电池组长期运行数值模拟方面，目前的模拟方法对电池组 性能的评估准确度更低，不利于对锂离子电池组性能做出更接近实际情况的评估结果。 因此，现有电池组数值模拟方法会影响仿真精度，使得仿真精度不够高，进而影响对锂 离子电池组性能的评估准确性和评估精度。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方法及系统，以提升现有基于 数值计算的运行状态模拟方法的仿真精度。
7.为了解决上述技术问题，本技术实施例公开了如下技术方案：
8.一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方法，所述方法应用于多个电芯串并联构成 的电池组的电
‑
热
‑
老化状态联合仿真，所述方法包括：
9.设置锂离子电池组参数与初始状态、充放电工况参数以及仿真过程控制参数，并将 当前时刻的计数器置零，所述仿真过程控制参数包括：仿真总步数n
max
、热
‑
电气步长比 n
h2e
和老化
‑
电气步长比n
a2e
，所述计数器包括：电气仿真步数指示器、热仿真定时器、 老化
仿真定时器；
10.根据锂离子电池组参数、当前状态和充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子 电池组电气网络分析，获取锂离子电池组内所有电芯的充放电电流；
11.根据电芯的充放电电流更新电芯电气状态，并计算电
‑
热耦合接口变量累积值和电
‑ꢀ
老化耦合接口变量累积值；
12.判断热仿真定时器的计数值n
h
是否达到热
‑
电气步长比n
h2e
；
13.如果是，采用节点温度法进行锂离子电池组热网络分析，更新各电芯的热状态，并 计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积值；
14.判断老化仿真定时器的计数值n
a
是否达到老化
‑
电气步长比n
a2e
；
15.如果是，更新各电芯老化状态，并计算老化
‑
电耦合接口变量；
16.判断电气仿真步数指示器的计数值n
e
是否达到仿真总步数n
max
；
17.如果是，结束仿真；
18.如果否，所有计数器计数值增加1，并根据下一时刻锂离子电池组参数、下一时刻 状态和充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离子 电池组内所有电芯的充放电电流，进入下一时刻仿真。
19.可选地，所述设置锂离子电池组参数与初始状态，包括：
20.设置用于描述锂离子电池组内电芯串并联关系的拓扑结构参数；
21.设置分别用于描述锂离子电池组内各电芯电气特性、热特性以及老化特性的电芯电 气模型参数、热参数及老化参数，所述电芯电气模型参数、热参数及老化参数分别与仿 真采用的电芯电气模型、热模型和老化模型相匹配；
22.设置用于描述锂离子电池组内散热系统特性的散热系统参数，所述散热系统参数与 仿真采用的散热系统模型相匹配；
23.设置描述电芯电气特性、热特性以及老化特性当前状态的状态变量初始值，所述电 气特性、热特性以及老化特性的状态变量分别与仿真采用的电芯电气模型、热模型、老 化模型相匹配。
24.可选地，所述设置锂离子电池组充放电工况参数，包括：
25.设置用于描述锂离子电池组充放电工况的时间
‑
电压/电流/功率二元表；
26.设置用于描述锂离子电池组环境温度的时间
‑
温度二元表。
27.可选地，所述根据锂离子电池组参数、当前状态和充放电工况参数，采用节点电压 法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离子电池组内所有电芯的充放电电流，包括：
28.根据锂离子电池组的时间
‑
电压/电流/功率二元表和当前的仿真时刻，利用插值法 计算当前时刻锂离子电池组的充放电电流；
29.根据锂离子电池组各电芯电气模型参数、热
‑
电耦合接口变量以及老化
‑
电耦合接口 变量，利用插值法计算各电芯当前时刻的电气模型参数；
30.根据各电芯当前时刻的电气模型参数及电气状态，构建对应的等值注入电流源模型， 计算得出注入电流及并联导纳；
31.根据各电芯等值注入电流源模型及锂离子电池组的充放电电流，建立支路导纳矩阵 g
b
和支路电流向量i
b
；
32.根据电池组内电芯的拓扑结构，建立用于描述节点
‑
支路连接关系的关联矩阵a；
33.根据关联矩阵a和支路导纳矩阵g
b
，计算节点导纳矩阵y，并根据关联矩阵a和支 路电流向量i
b
计算注入电流向量i
s
，计算公式为y＝a
·
g
b
·
a
t
,i
s
＝a
·
i
b
；
34.利用公式u
n
＝y
‑1i
s
，计算得出锂离子电池组各节点电压u
n
；
35.根据各节点电压u
n
以及支路关联矩阵a，利用公式u
b
＝a
t
u
n
计算得出各支路电压u
b
；
36.根据各支路电压、电芯电气模型参数及电气状态，计算电池组各电芯的充放电电流。
37.可选地，所述根据电芯的充放电电流更新电芯电气状态，并计算电
‑
热耦合接口变 量累积值和电
‑
老化耦合接口变量累积值，包括：
38.以电芯充放电电流为输入，调用各电芯电气模型更新一个电气仿真步后电芯的电气 状态；
39.根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
热耦合接口变量，并累加至 对应的电
‑
热耦合接口变量累积值；
40.根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
老化耦合接口变量，并累加 至对应的电
‑
老化耦合接口变量累积值。
41.可选地，所述采用节点温度法进行锂离子电池组热网络分析，更新各电芯的热状态， 并计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积值，包括：
42.根据锂离子电池组的时间
‑
温度二元表和当前的仿真时刻，利用插值法计算得出当 前时刻锂离子电池组所处的环境温度；
43.根据各电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值与热
‑
电气步长比的比值，计算得出各电芯的 电
‑
热耦合接口变量平均值；
44.根据锂离子电池组的散热系统参数和各电芯的位置分布，计算各电芯的热模型参数；
45.根据各电芯在散热路径上的分布和电芯热模型，构建锂离子电池组的热网络模型；
46.根据所述热网络模型，采用节点温度法计算各电芯散热功率；
47.以各电芯的电
‑
热耦合接口变量平均值和散热功率为输入，调用电芯热模型依次更 新各电芯一个热仿真步后的热状态；
48.根据各电芯的热状态，计算热
‑
电耦合接口变量；
49.根据各电芯的热状态，计算热
‑
老化耦合接口变量，并累加至对应的热
‑
老化耦合接 口变量累积值；
50.置零电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值以及热仿真定时器。
51.可选地，所述更新各电芯老化状态，并计算老化
‑
电耦合接口变量，包括：
52.根据各电芯的电
‑
老化耦合接口变量累积值与老化
‑
电气步长比的比值，计算得出各电 芯的电
‑
老化耦合接口变量平均值；
53.利用公式：利用公式：计算得出各电芯的热
‑
老化耦合接口变量平均值；
54.以各电芯的电
‑
老化耦合接口变量平均值及热
‑
老化耦合接口变量平均值为输入，
调用电 芯老化模型依次更新各电芯一个老化仿真步后的老化状态；
55.根据各电芯的老化状态，计算老化
‑
电耦合接口变量；
56.置零各电芯的电
‑
老化耦合接口变量累积值、热
‑
老化耦合接口变量累积值以及老化仿真 定时器。
57.可选地，所述电芯电气模型为等值电路模型，所述电芯热模型为集总参数热模型， 所述电芯老化模型为半经验老化模型。
58.可选地，更新各电芯老化状态，并计算老化
‑
电接口变量之后，所述方法还包括：
59.根据设定的待记录变量，记录选定的仿真变量。
60.一种锂离子电池组运行状态的数值模拟系统，所述系统应用于多个电芯串并联构成 的电池组的电
‑
热
‑
老化状态联合仿真，所述系统包括：
61.仿真设置模块，用于设置锂离子电池组参数与初始状态、充放电工况参数以及仿真 过程控制参数，并将当前时刻的计数器置零，所述仿真过程控制参数包括：仿真总步数 n
max
、热
‑
电气步长比n
h2e
和老化
‑
电气步长比n
a2e
，所述计数器包括：电气仿真步数指示 器、热仿真定时器、老化仿真定时器；
62.电气网络分析模块，用于根据锂离子电池组参数、当前状态和充放电工况参数，采 用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离子电池组内所有电芯的充放电 电流；
63.电气状态和耦合接口变量更新模块，用于根据电芯的充放电电流更新电芯电气状态， 并计算电
‑
热耦合接口变量累积值和电
‑
老化耦合接口变量累积值；
64.第一判断模块，用于判断热仿真定时器的计数值n
h
是否达到热
‑
电气步长比n
h2e
， 如果是，更新各电芯的热状态，否则，不更新各电芯的热状态；
65.热网络分析模块，用于采用节点温度法进行锂离子电池组热网络分析，更新各电芯 的热状态，并计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积值；
66.第二判断模块，用于判断老化仿真定时器的计数值n
a
是否达到老化
‑
电气步长比n
a2e
， 如果是，更新各电芯老化状态，否则，不更新各电芯老化状态；
67.老化分析模块，用于根据更新后各电芯的老化状态，计算老化
‑
电耦合接口变量；
68.第三判断模块，用于判断电气仿真步数指示器的计数值n
e
是否达到仿真总步数n
max
， 如果是，结束仿真，如果否，所有计数器计数值增加1，并重新启动电气网络分析模块， 进入下一时刻仿真。
69.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
70.本技术提供一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方法，该方法首先进行仿真设置， 也就是设置锂离子电池组参数与初始状态、充放电工况参数以及仿真过程控制参数，并 将当前时刻的计数器置零；然后开始执行仿真过程，根据锂离子电池组参数、当前状态 和充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离子电池 组内所有电芯的充放电电流；并根据电芯的充放电电流更新电芯电气状态，并计算电
‑ꢀ
热耦合接口变量累积值和电
‑
老化耦合接口变量累积值；然后采用节点温度法进行锂离 子电池组热网络分析，更新各电芯老化状态，并计算老化
‑
电耦合接口变量，最后如果 电气仿真步数指示器的计数值n
e
未达到仿真总步数n
max
，对计时器计数值加1，并返回 重新开始执行仿真过程，进入下一时刻的仿真。本实施例通过仿真设置、依次对锂离子 电池组执行电气网
络分析、热网络分析和老化分析，能够同时考虑到锂离子电池组的电 气特征、热特性和老化特性，并计算各种耦合接口变量以及耦合接口变量累积值，能够 考虑三种特征之间的耦合作用，因此，所获取的仿真结果更加准确。而且本实施例中搭 建电池组和电芯双层仿真结构，本实施例中的仿真对象锂离子电池组，是由多个电芯串 并联构成的电池组，而不是以某一个电芯模拟整个电池组特性，这种仿真方法更接近实 际的电池组结构，有利于提高仿真精度。
71.本实施例中所搭建的双层仿真结构，在电池组层面采用节点电压法进行电池组电气 网络分析，进而将电池组电气工况结合电芯状态分解为电芯电气工况，对电池组采用节 点温度法进行热网络分析，能够结合电池组散热条件及电芯发热信息等计算电芯温度。 在电芯层面，利用电芯的电、热、老化模型结合电气工况、电芯温度等信息来更新电芯 的电、热、老化状态，并进一步计算和更新锂离子电池组的接口变量。因此，这种仿真 方法能考虑到电池组内不同电芯的不一致性，有利于进一步提高仿真精度。
72.本实施例中的仿真方法，由于同时考虑到电池组电、热、老化的耦合作用，且考虑 到电池组内不同电芯的不一致性，在短时仿真中能够提高仿真精度。在长时间尺度的仿 真模拟方面，能够考虑不同工况下电芯累积电、热、老化交互作用的影响，也有利于提 高仿真精度。随着锂离子电池组使用历史的累积，电芯间的细微差异逐渐累加，使得电 池组内各电芯参数及状态差异越来越显著，也就是电池组内电芯间的不一致性增强，且 长期使用过程中，电芯的电、热、老化交互影响作用显现，因此本实施例中的方法尤其 适用于电池组长期运行状态的仿真模拟。
73.另外，本实施例中对电芯热状态更新前，先判断热仿真定时器的计数值n
h
是否达 到热
‑
电气步长比n
h2e
，只有热仿真定时器的计数值n
h
达到热
‑
电气步长比n
h2e
时，才更 新电芯热状态，并根据更新后的热状态计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量 累积值，当未达到时，继续采用上一仿真步的电芯热状态，并计算热
‑
电耦合接口变量 和热
‑
老化耦合接口变量累积值。同理，在对各电芯老化状态更新前，也是先判断老化 仿真定时器的计数值n
a
是否达到老化
‑
电气步长比n
a2e
。这种仿真方法，能够根据电池 组电气、热、老化状态变化的时间尺度差异，选择不同的状态更新步长，在保证仿真精 度的情况下，有利于进一步降低计算量，从而节省计算资源，提高电池组运行状态的仿 真模拟效率。
74.本技术还提供一种锂离子电池组运行状态的数值模拟系统，该系统主要包括：仿真 设置模块、电气网络分析模块、电气状态和耦合接口变量更新模块、第一判断模块、热 网络分析模块、第二判断模块、老化分析模块和第三判断模块。通过仿真设置模块对锂 离子电池组参数、初始状态、充放电工况参数以及仿真过程控制参数进行设置，为后续 仿真过程提供保证。通过电气网络分析模块、电气状态和耦合接口变量更新模块、热网 络分析模块和老化分析模块，能够实现适应各种运行工况、各种电池组规模与拓扑结构、 各种电池组初始状态的电
‑
热
‑
老化多维特征仿真模拟，同时考虑电池组的电、热、老化 耦合作用，有利于提高仿真精度，为锂离子电池组全寿命周期性能评估、不一致性影响 以及关键因素分析、电池组优化管理算法提供有效的验证工具。本实施例中的数值模拟 系统，同时考虑电池组内电芯差异和电、热、老化特性的交互影响，不但在短期仿真中 能够有效提高仿真精度，尤其是在电池组长期性能评估中，更能够有效提高仿真精度。
75.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不
能 限制本技术。
附图说明
76.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例， 并与说明书一起用于解释本技术的原理。
77.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
78.图1为本技术实施例所提供的一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方法的流程示 意图；
79.图2为本实施例中锂离子电池组拓扑结构和空间布置示意图；
80.图3为本技术实施例中电芯等值电路模型示意图；
81.图4为本技术实施例中电芯的集总参数热模型示意图；
82.图5为本技术实施例中电池组电气网络等值电路示意图；
83.图6为本技术实施例中电芯的电
‑
热
‑
老化交互耦合关系示意图；
84.图7a为实际应用示例中电芯的soc曲线示意图；
85.图7b为实际应用示例中电芯的电流曲线示意图；
86.图7c为实际应用示例中电芯的温度曲线示意图；
87.图7d为实际应用示例中电芯的电芯容量保持率曲线示意图；
88.图8为本技术实施例所提供的一种锂离子电池组运行状态的数值模拟系统的结构示 意图。
具体实施方式
89.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施 例中的附图，对本技术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 施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领 域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本 申请保护的范围。
90.锂离子电池组是一个复杂的电气
‑
热
‑
电化学动态系统。受限于技术水平，单个电芯 额定参数通常为三点几伏、几安至数百安，必须通过串并联构成电池组以用于高压大电 流的储能系统。本技术中锂离子电池组运行过程的仿真模拟包括：电池组运行特征模拟 和电芯运行特征模拟两个层面。电池组层面，主要是电池组充放电过程到电芯充放电过 程转化的模拟，以及电池组散热系统到电芯产散热过程转化的模拟。电芯层面，主要是 电芯充放电过程中，电气、热和老化特性的动态模拟。
91.为了更好地理解本技术，下面结合附图来详细解释本技术的实施方式。
92.实施例一
93.参见图1，图1为本技术实施例所提供的一种锂离子电池组运行状态的数值模拟方 法的流程示意图。由图1可知，本实施例中锂离子电池组运行状态的数值模拟方法，主 要包括如下过程：
94.s0：设置锂离子电池组参数与初始状态、充放电工况参数以及仿真过程控制参数， 并将当前时刻的计数器置零。
95.本实施例中的仿真过程控制参数包括：仿真总步数n
max
、热
‑
电气步长比n
h2e
和老化
ꢀ‑
电气步长比n
a2e
。计数器包括：电气仿真步数指示器、热仿真定时器、老化仿真定时器。 将当前时刻的所有计数器置零，即可启动锂离子电池组运行状态仿真程序。
96.其中，设置锂离子电池组参数与初始状态的方法，包括如下过程：
97.s011：设置用于描述锂离子电池组内电芯串并联关系的拓扑结构参数。
98.拓扑结构参数用于说明锂离子电池组内的电芯是如何串并联构成电池组的。通常，对 于大容量电芯，即：储能电量在20ah以上的电芯，采用图2所示的先串后并方式。而对于 小容量电芯，即：储能电量在20ah以下的电芯，常采用先并后串再并的方式构成电池组。 本实施例以前者为例，拓扑结构应为m串n并，拓扑结构参数即为并联支路数n和每条支路 中串联电芯数m。
99.s012：设置用于描述锂离子电池组内各电芯电气特性的电芯电气模型参数，用于描 述锂离子电池组内各电芯热特性的热参数，以及用于描述锂离子电池组内各电芯老化特 性的老化参数。
100.电芯电气模型参数、热参数及老化参数统称为电芯参数，用于描述电芯的电气、热、 老化特性，均是变量，不同的电芯参数匹配不同的电芯模型，采用不同模型时，应针对 相应模型调整所设置的电芯参数。
101.本实施例中电芯电气模型采用等值电路模型，电芯热模型采用集总参数热模型，电 芯老化模型采用半经验老化模型。相关的模型及参数如下：
102.1)等值电路模型：该电芯电气模型用于描述电芯电压电流关系，等值电路模型采 用电压源与阻容元件构成等值电路，基于电路关系实现电气关系描述。常见的等值电路 模型包括：图3所示的内阻模型、1阶rc模型、2阶rc模型等。以2阶rc模型为例， 需要指定的参数包括：开路电压u
ocv
、欧姆内阻、极化电阻、极化电容与荷电状态soc 及温度的关系。
103.2)集总参数热模型：该电芯热模型用于描述电芯产散热过程进而确定电芯温度。 集总参数热模型采用热阻、热容及功率热源描述电池产散热过程，单个电芯的集总参数 热模型如图4所示，此处单个电芯的集总参数热模型为热阻模型，需要指定参数为电芯 热容与散热热阻，其中，散热热阻与散热方式及电芯所处位置密切相关。
104.3)半经验老化模型：该电芯老化模型用于描述电芯使用过程中，电芯老化表征指 标如容量、内阻的变化规律。半经验老化模型从机理出发判断影响电池老化的关键因素， 如交换电量、运行温度和充放电倍率，通过变量控制法进行老化实验，基于实验数据拟 合建立老化表征指标与关键指标间的函数关系。设置分别用于描述锂离子电池组内各电 芯电气特性、热特性以及老化特性的电芯电气模型参数、热参数及老化参数之后，执行 步骤s013：设置用于描述锂离子电池组内散热系统特性的散热系统参数，其中，散热系 统参数与仿真采用的散热系统模型相匹配。
105.热管理是电池管理的重要组成部分，通常有空冷、液冷等多种散热技术方式，其本 质是通过工质带走电芯发热量进而将电芯温度控制在合理范围。本实施例采用热阻变化 描述散热系统，仅需要设置散热系统开启或关闭状态下，各电芯散热热阻参数。这种方 式，使得本实施例中的模拟方法能够适应电池组可能采用的多种散热系统，有利于该方 法的
推广应用。
106.s014：设置描述电芯电气特性、热特性以及老化特性当前状态的状态变量初始值， 电气特性、热特性以及老化特性的状态变量分别与仿真采用的电芯电气模型、热模型、 老化模型相匹配。
107.电芯是一个动态系统，电、热、老化三方面模型均采用微分或差分方差描述，需要 指定电芯三方面特性的状态变量初始值，也就是电芯三方面特性动态系统的初始状态， 这与电芯采用的电、热、老化模型对应。当电芯采用等值电路模型、集总参数热模型和 半经验老化模型时，需要指定的初始状态主要包括：电气状态：soc、极化电压等；热 状态：电芯温度、环境温度等；老化状态：容量保持率、内阻增长率等。
108.另外，本实施例中设置锂离子电池组充放电工况参数的方法，包括如下过程：
109.s021：设置用于描述锂离子电池组充放电工况的时间
‑
电压/电流/功率二元表。
110.s022：设置用于描述锂离子电池组环境温度的时间
‑
温度二元表。
111.本实施例中设置仿真过程控制参数的方法，包括如下过程：
112.s031：获取仿真总时长t
total
、电气仿真步长t
e
、热仿真步长t
h
、老化仿真步长t
a
、 需要记录的仿真变量以及仿真变量记录步长t
r
。
113.其中，热仿真步长与仿真变量记录步长为电气仿真步长的整数倍，老化仿真步长为 热仿真步长的整数倍。通过设置不同的步长，能够使用电池组电气、热、老化状态变化 的时间尺度差异，在提高仿真精度的前提下，有利于降低计算量，提高计算效率。
114.s032：根据仿真总时长t
total
、电气仿真步长t
e
、热仿真步长t
h
、老化仿真步长t
a
、 需要记录的仿真变量以及仿真变量记录步长t
r
，分别利用公式 n
max
＝round(t
total
/t
e
)，n
h2e
＝t
h
/t
e
，n
a2e
＝t
a
/t
e
，n
r2e
＝t
r
/t
e
，计算得出仿真过程控制参 数。
115.其中，n
r2e
为记录
‑
电步长比，round(
·
)为取整函数，t
total
为仿真总时长，t
e
为电气 仿真步长，t
h
为热仿真步长，t
a
为老化仿真步长，t
r
为仿真变量记录步长。
116.继续参见图1可知，进行相关的仿真设置后，执行步骤s1：根据锂离子电池组参数、 当前状态和充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂 离子电池组内所有电芯的充放电电流。
117.步骤s1主要是进行电池组电网络求解，主要完成电池组充放电工况到电芯充放电 电流的转换，即分析电池组内电流分布规律。从步骤s1开始，开始执行锂离子电池组 运行状态仿真。
118.具体地，步骤s1包括如下过程：
119.s10：根据锂离子电池组的时间
‑
电压/电流/功率二元表和当前的仿真时刻，利用插 值法计算当前时刻锂离子电池组的充放电电流。
120.s11：根据锂离子电池组各电芯电气模型参数、热
‑
电耦合接口变量以及老化
‑
电耦 合接口变量，利用插值法计算各电芯当前时刻的电气模型参数。
121.s12：根据各电芯当前时刻的电气模型参数及电气状态，构建对应的等值注入电流 源模型，计算得出注入电流及并联导纳。
122.s13：根据各电芯等值注入电流源模型及锂离子电池组的充放电电流，建立支路导 纳矩阵g
b
和支路电流向量i
b
。
123.以等值电路模型为例，基于各电芯等值注入电流源模型计算支路导纳矩阵g
b
，具
电池组内所有电芯的充放电电流之后，执行步骤s2：根据电芯的充放电电流更新电芯电 气状态，并计算电
‑
热耦合接口变量累积值和电
‑
老化耦合接口变量累积值。
137.具体地，步骤s2包括如下过程：
138.s21：以电芯充放电电流为输入，调用各电芯电气模型更新一个电气仿真步后电芯 的电气状态。
139.s22：根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
热耦合接口变量，并累 加至对应的电
‑
热耦合接口变量累积值。
140.s23：根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
老化耦合接口变量，并 累加至对应的电
‑
老化耦合接口变量累积值。
141.以等值电路模型为例，由以上步骤s21
‑
s23可知，本实施例中根据电芯充放电电流， 更新电芯的电气状态的方法，主要包括：遍历锂离子电池组内所有电芯，以电芯充放电 电流为输入，调用各电芯的等值电路模型更新电芯的电气模型状态变量，电芯的电气模 型状态变量包括：soc和极化电压；根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算 电芯的发热功率，并与热模型仿真步内历史发热功率累加，用于后续热状态更新；根据 各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算步内电芯交换电量和电芯充放电倍率，并 与老化模型仿真步内历史交换电量及充放电倍率累加，用于后续老化状态更新。
142.本实施例中电芯的电、热、老化三方面特性相互影响的接口变量，可以参见图6所 示。
143.继续参见图1可知，根据电芯的充放电电流更新电芯电气状态，并计算电
‑
热耦合 接口变量累积值和电
‑
老化耦合接口变量累积值之后，执行步骤s3：判断热仿真定时器 的计数值n
h
是否达到热
‑
电气步长比n
h2e
。
144.如果热仿真定时器的计数值n
h
达到热
‑
电气步长比n
h2e
，执行步骤s4：采用节点温 度法进行锂离子电池组热网络分析，更新各电芯的热状态，并计算热
‑
电耦合接口变量 和热
‑
老化耦合接口变量累积值。
145.如果热仿真定时器的计数值n
h
未达到热
‑
电气步长比n
h2e
，沿用上一步的电芯热状 态，根据上一次各电芯的热状态计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积值。
146.具体地，步骤s4包括如下过程：
147.s41：根据锂离子电池组的时间
‑
温度二元表和当前的仿真时刻，利用插值法计算得 出当前时刻锂离子电池组所处的环境温度。
148.s42：根据各电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值与热
‑
电气步长比的比值，计算得出各 电芯的电
‑
热耦合接口变量平均值。
149.s43：根据锂离子电池组的散热系统参数和各电芯的位置分布，计算各电芯的热模型参 数。
150.s44：根据各电芯在散热路径上的分布和电芯热模型，构建锂离子电池组的热网络 模型。
151.s45：根据热网络模型，采用节点温度法计算各电芯散热功率。
152.s46：以各电芯的电
‑
热耦合接口变量平均值和散热功率为输入，调用电芯热模型依 次更新各电芯一个热仿真步后的热状态。
153.s47：根据各电芯的热状态，计算热
‑
电耦合接口变量。
154.s48：根据各电芯的热状态，计算热
‑
老化耦合接口变量，并累加至对应的热
‑
老化 耦合接口变量累积值。
155.s49：置零电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值以及热仿真定时器。
156.以集总参数热模型，由以上步骤s41
‑
s49可知，本实施例中进行锂离子电池组热网 络分析，更新各电芯的热状态，并计算热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积 值的方法为：首先遍历所有电芯，计算电芯本次热状态更新步内发热平均功率。然后， 根据电芯位置分布及散热条件，构建单个电芯的热路模型，并互相连接构成电池组热路 模型；采用与节点电压法类似的节点温度法，计算热网络导纳矩阵及注入热源向量。最 后，求解热网络，得到热网络各点温度，进而确定各电芯温度。
157.s5：判断老化仿真定时器的计数值n
a
是否达到老化
‑
电气步长比n
a2e
。
158.如果老化仿真定时器的计数值n
a
达到老化
‑
电气步长比n
a2e
，执行步骤s6：更新各 电芯老化状态，并计算老化
‑
电耦合接口变量。
159.如果老化仿真定时器的计数值n
a
未达到老化
‑
电气步长比n
a2e
，不更新各电芯老化 状态，根据上一次各电芯的老化状态计算老化
‑
电耦合接口变量。
160.具体地，步骤s6包括如下过程：
161.s61：根据各电芯的电
‑
老化耦合接口变量累积值与老化
‑
电气步长比的比值，计算得出 各电芯的电
‑
老化耦合接口变量平均值。
162.s62：利用公式：
[0163][0164]
计算得出各电芯的热
‑
老化耦合接口变量平均值。
[0165]
s63：以各电芯的电
‑
老化耦合接口变量平均值及热
‑
老化耦合接口变量平均值为输入， 调用电芯老化模型依次更新各电芯一个老化仿真步后的老化状态。
[0166]
s64：根据各电芯的老化状态，计算老化
‑
电耦合接口变量。
[0167]
s65：置零各电芯的电
‑
老化耦合接口变量累积值、热
‑
老化耦合接口变量累积值以及老 化仿真定时器。
[0168]
以半经验老化模型为例，由以上步骤s61
‑
s65可知，更新各电芯老化状态，并计算 老化
‑
电耦合接口变量的方法为：首先遍历锂离子电池组内所有电芯，计算任一电芯当前 老化状态更新的步内电芯交换电量、电芯温度以及电芯充放电倍率平均值；然后遍历锂离子 电池组内所有电芯，利用电芯老化模型更新电芯老化状态的容量保存率和内阻增长率，容量 保存率和内阻增长率用于下一个循环的电芯电气状态更新。
[0169]
进一步地，更新各电芯老化状态，并计算老化
‑
电耦合接口变量之后，还包括步骤 s7：根据设定的待记录变量，记录选定的仿真变量。
[0170]
具体地，本实施例中记录选定的仿真变量的方法为：提前根据用户需求设定待记录 变量，仿真前指定需要记录哪些变量，以及多久记录一次等相关信息。具体地，根据用 户需求，确定是否需要记录仿真变量，如果需要记录，则将选定的仿真变量写入缓冲区， 并在缓冲区存满时存入硬盘，并重置缓冲区。如果根据所获取的命令判定不需要记录， 直接执行步骤s8。
[0171]
s8：判断电气仿真步数指示器的计数值n
e
是否达到仿真总步数n
max
。
[0172]
如果电气仿真步数指示器的计数值n
e
达到仿真总步数n
max
，结束仿真。
[0173]
当结束仿真时，输出所记录的仿真变量。
[0174]
如果电气仿真步数指示器的计数值n
e
未达到仿真总步数n
max
，执行步骤s9：所有计 数器计数值增加1，并返回步骤s1，根据下一时刻锂离子电池组参数、下一时刻状态和 充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离子电池组 内所有电芯的充放电电流，进入下一时刻仿真。
[0175]
下面以6串3并共18个电芯构成的锂离子电池组，在nedc反复工况循环下的性能衰 减为例，对本实施例的技术效果进行验证。该锂离子电池组中，电芯额定容量为75ah，额定 电压为4.2v，充放电欧姆内阻为0.0018ohm，库伦效率为0.9998。锂离子电池组参数设定为 初始soc不一致且服从均匀分布u2(0.4,0.6)；电池组每次按照nedc工况使用至soc降至 0.1后先恒流后恒压充电，相关结果如图7(a)
‑
图7(d)所示。其中，图7(a)
‑
图7(c) 为单次使用下电芯soc、充放电电流及温度仿真结果，图7(d)为1000次使用后各电芯容 量保持率仿真结果。由图7(a)
‑
图7(d)可以看到，采用本实施例中的方法，单次仿真各 电芯差异不明显，长期多次使用后，各电芯间差异逐渐显现，本实施例在锂离子电池组长期 运行状态下的数值模拟效果更具有优势，有利于提高仿真精度。
[0176]
实施例二
[0177]
在图1
‑
图7d所示实施例的基础上参见图8，图8为本技术实施例所提供的一种锂 离子电池组运行状态的数值模拟系统的结构示意图。由图8可知，本实施例中的锂离子 电池组运行状态的数值模拟系统，主要包括：仿真设置模块、电气网络分析模块、电气 状态和耦合接口变量更新模块、第一判断模块、热网络分析模块、第二判断模块、老化 分析模块和第三判断模块。
[0178]
其中，仿真设置模块，用于设置锂离子电池组参数与初始状态、充放电工况参数以 及仿真过程控制参数，并将当前时刻的计数器置零，仿真过程控制参数包括：仿真总步 数n
max
、热
‑
电气步长比n
h2e
和老化
‑
电气步长比n
a2e
，计数器包括：电气仿真步数指示器、 热仿真定时器、老化仿真定时器；电气网络分析模块，用于根据锂离子电池组参数、当 前状态和充放电工况参数，采用节点电压法进行锂离子电池组电气网络分析，获取锂离 子电池组内所有电芯的充放电电流；电气状态和耦合接口变量更新模块，用于根据电芯 的充放电电流更新电芯电气状态，并计算电
‑
热耦合接口变量累积值和电
‑
老化耦合接口 变量累积值；第一判断模块，用于判断热仿真定时器的计数值n
h
是否达到热
‑
电气步长 比n
h2e
，如果是，更新各电芯的热状态，否则，不更新各电芯的热状态；热网络分析模 块，用于采用节点温度法进行锂离子电池组热网络分析，更新各电芯的热状态，并计算 热
‑
电耦合接口变量和热
‑
老化耦合接口变量累积值；第二判断模块，用于判断老化仿真 定时器的计数值n
a
是否达到老化
‑
电气步长比n
a2e
，如果是，更新各电芯老化状态，否 则，不更新各电芯老化状态；老化分析模块，用于根据更新后各电芯的老化状态，计算 老化
‑
电耦合接口变量；第三判断模块，用于判断电气仿真步数指示器的计数值n
e
是否 达到仿真总步数n
max
，如果是，结束仿真，如果否，所有计数器计数值增加1，并重新 启动电气网络分析模块，进入下一时刻仿真。
[0179]
进一步地，仿真设置模块包括：参数与初始状态设置单元、充放电工况参数设置单 元和仿真过程控制参数设置单元。其中，参数与初始状态设置单元用于设置锂离子电池 组参数与初始状态，充放电工况参数设置单元用于设置锂离子电池组充放电工况参数， 仿真
过程控制参数设置单元，用于设置锂离子电池组仿真过程控制参数。
[0180]
进一步地，参数与初始值状态设置单元又包括：拓扑结构设置子单元、三特性参数 设置子单元、散热系统参数设置子单元以及初始值设置子单元。拓扑结构设置子单元， 用于设置描述锂离子电池组内电芯串并联关系的拓扑结构参数；三特性参数设置子单元， 用于设置分别描述锂离子电池组内各电芯电气特性、热特性以及老化特性的电芯电气模 型参数、热参数及老化参数，电芯电气模型参数、热参数及老化参数分别与仿真采用的 电芯电气模型、热模型和老化模型相匹配；散热系统参数设置子单元，用于设置描述锂 离子电池组内散热系统特性的散热系统参数，散热系统参数与仿真采用的散热系统模型 相匹配；初始值设置子单元，用于设置描述电芯电气特性、热特性以及老化特性当前状 态的状态变量初始值，电气特性、热特性以及老化特性的状态变量分别与仿真采用的电 芯电气模型、热模型、老化模型相匹配。
[0181]
充放电工况参数设置单元又包括：第一设置子单元和第二设置子单元。其中，第一 设置子单一，用于设置描述锂离子电池组充放电工况的时间
‑
电压/电流/功率二元表； 第二设置子单元，用于设置描述锂离子电池组环境温度的时间
‑
温度二元表。
[0182]
电气网络分析模块包括：电池组充放电电流计算单元、电气模型参数计算单元、注 入电流及并联导纳计算单元、支路导纳矩阵和支路电流向量建立单元、关联矩阵建立单 元、节点导纳和注入电流向量计算单元、节点电压计算单元、支路电压计算单元和电芯 充放电电流计算单元。
[0183]
其中，电池组充放电电流计算单元，用于根据锂离子电池组的时间
‑
电压/电流/功率二 元表和当前的仿真时刻，利用插值法计算当前时刻锂离子电池组的充放电电流；电气模型参 数计算单元，用于根据锂离子电池组各电芯电气模型参数、热
‑
电耦合接口变量以及老化
‑
电 耦合接口变量，利用插值法计算各电芯当前时刻的电气模型参数；注入电流及并联导纳计算 单元，用于根据各电芯当前时刻的电气模型参数及电气状态，构建对应的等值注入电流源模 型，计算得出注入电流及并联导纳；支路导纳矩阵和支路电流向量建立单元，用于根据各电 芯等值注入电流源模型及锂离子电池组的充放电电流，建立支路导纳矩阵g
b
和支路电流向量 i
b
；关联矩阵建立单元，用于根据电池组内电芯的拓扑结构，建立用于描述节点
‑
支路连接关 系的关联矩阵a；节点导纳和注入电流向量计算单元，用于根据关联矩阵a和支路导纳矩阵 g
b
，计算节点导纳矩阵y，并根据关联矩阵a和支路电流向量i
b
计算注入电流向量i
s
，计算 公式为y＝a
·
g
b
·
a
t
,i
s
＝a
·
i
b
；节点电压计算单元，用于利用公式u
n
＝y
‑1i
s
，计算得出锂离 子电池组各节点电压u
n
；支路电压计算单元，用于根据各节点电压u
n
以及支路关联矩阵a， 利用公式u
b
＝a
t
u
n
计算得出各支路电压u
b
；电芯充放电电流计算单元，用于根据各支路电 压、电芯电气模型参数及电气状态，计算电池组各电芯的充放电电流。
[0184]
电气状态和耦合接口变量更新模块包括：电气状态更新单元、电
‑
热耦合接口变量 计算单元和电
‑
老化耦合接口变量计算单元。其中，电气状态更新单元，用于以电芯充放 电电流为输入，调用各电芯电气模型更新一个电气仿真步后电芯的电气状态；电
‑
热耦合接 口变量计算单元，用于根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
热耦合接 口变量，并累加至对应的电
‑
热耦合接口变量累积值；电
‑
老化耦合接口变量计算单元， 用于根据各电芯的电气模型状态变量和电气工况，计算电
‑
老化耦合接口变量，并累加 至对应
的电
‑
老化耦合接口变量累积值。
[0185]
热网络分析模块包括：环境温度计算单元、电
‑
热耦合接口变量平均值计算单元、热 模型参数计算单元、热网络模型构建单元、电芯散热功率计算单元、热状态更新单元、 热
‑
电耦合接口变量计算单元、热
‑
老化耦合接口变量累积值计算单元和第一置零单元。
[0186]
其中，环境温度计算单元，用于根据锂离子电池组的时间
‑
温度二元表和当前的仿真时 刻，利用插值法计算得出当前时刻锂离子电池组所处的环境温度；电
‑
热耦合接口变量平均 值计算单元，用于根据各电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值与热
‑
电气步长比的比值，计算 得出各电芯的电
‑
热耦合接口变量平均值；热模型参数计算单元，用于根据锂离子电池组的 散热系统参数和各电芯的位置分布，计算各电芯的热模型参数；热网络模型构建单元，用于 根据各电芯在散热路径上的分布和电芯热模型，构建锂离子电池组的热网络模型；电芯散热 功率计算单元，用于根据热网络模型，采用节点温度法计算各电芯散热功率；热状态更新单 元，用于以各电芯的电
‑
热耦合接口变量平均值和散热功率为输入，调用电芯热模型依次更 新各电芯一个热仿真步后的热状态；热
‑
电耦合接口变量计算单元，用于根据各电芯的热状 态，计算热
‑
电耦合接口变量；热
‑
老化耦合接口变量累积值计算单元，用于根据各电芯的热 状态，计算热
‑
老化耦合接口变量，并累加至对应的热
‑
老化耦合接口变量累积值；第一置零 单元，用于置零电芯的电
‑
热耦合接口变量累积值以及热仿真定时器。
[0187]
老化分析模块包括：电
‑
老化耦合接口变量平均值计算单元、热
‑
老化耦合接口变量平 均值计算单元、老化状态更新单元、老化
‑
电耦合接口变量计算单元和第二置零单元。
[0188]
其中，电
‑
老化耦合接口变量平均值计算单元，用于根据各电芯的电
‑
老化耦合接口变量 累积值与老化
‑
电气步长比的比值，计算得出各电芯的电
‑
老化耦合接口变量平均值；热
‑ꢀ
老化耦合接口变量平均值计算单元，用于利用公式：
[0189]
计算得出各电芯的热
‑
老化耦合接口变量平均值；老化状态更新单元，用于以各电芯的电
‑ꢀ
老化耦合接口变量平均值及热
‑
老化耦合接口变量平均值为输入，调用电芯老化模型依次更 新各电芯一个老化仿真步后的老化状态；老化
‑
电耦合接口变量计算单元，用于根据各 电芯的老化状态，计算老化
‑
电耦合接口变量；第二置零单元，用于置零各电芯的电
‑
老 化耦合接口变量累积值、热
‑
老化耦合接口变量累积值以及老化仿真定时器。
[0190]
本实施例中锂离子电池组运行状态的数值模拟系统的工作原理和工作方法，在图1
‑ꢀ
图7d所示的实施例中已经详细阐述，在此不再赘述。
[0191]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。 对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一 般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申 请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点 相一致的最宽的范围。