Battery (Table-Based)
电池模型数据表
库:
Simscape /
Electrical /
Sources
Simscape /
Battery /
Cells
描述
Battery (Table-Based) 模块代表了一个高保真电池模型。该模块利用查找表,根据电荷水平和可选温度来计算开路电压,并提供了多种建模选项:
自放电
电池衰减
电荷动态特性
日历老化
注意
对于所有基于表格的参数,Battery (Table-Based) 模块仅支持线性插值。若要进行外推,请将所有表的外插方法 参数设置为 Nearest、Linear 或 Error 之一。
对于行和列,它遵循行-列约定,即先按行索引,然后按列索引。
该图绘制了电池的性能随温度和电荷状态的变化而变化的情况,这在数据表中很常见。

使用此模块,可根据数据手册或实验结果,对具有复杂开路电压特性的电池进行参数化。如需查看电池的简化表示,请参阅 Battery (Simscape Electrical) 模块。
Battery (Table-Based) 模块有两个可选端口,您可以通过设置相应的参数来启用它们。额外的物理信号端口 SOC 输出电荷状态。利用此功能,可以根据电荷状态调整负载行为,而无需构建复杂的电荷状态估算器。要开放 SOC 端口,请在 Main 设置中将暴露 SOC 测量端口 参数设置为是。
要启用热端口,请在热 设置中将热端口 参数设置为模型。热端口代表电池的热质量。
您还可以为该模块选择不同的内置参数化方案。有关详细信息,请参阅预定义参数化部分。
电池等效电路由基本电池模型、自放电电阻 RSD、充电动力学模型以及串联电阻 R0 构成。

电池模型
该模块通过插值计算开路电压,即基本电池模型两端的电压:
其中:
v0 是电池的开路电压。如果要按温度对参数进行制表,请使用开路电压,V0(SOC,T) 参数指定查找值的网格;否则,请使用开路电压,V0(SOC) 参数。
SOC是当前电量与电芯容量,AH 参数中规定的电池额定容量之比,同时还考虑了电芯容量百分比变化,dAH(N,Tfade) 参数中规定的、受温度影响的电池容量衰减百分比变化(δAH(n, Tfade))所产生的影响。使用荷电状态值向量,SOC 参数指定 SOC 断点。该模块根据电池的充放电循环次数和温度,通过对指定的温度依赖型衰减特性与电芯容量,AH 参数进行插值,来估算电池的名义容量。SOC表示相对于 qnom 归一化的数据。对于基于查找表的衰减特性选项,
对于基于方程的衰减特性选项,
最后,
SOC可通过以下方程求得。其中:
qnom 是电池的电芯容量。请使用电芯容量,AH 参数指定此值。
N 是放电循环次数的参考编号,您可据此指定若干电池参数的百分比变化。请使用放电循环次数,N 参数设置此值。
n 是电池当前的循环次数。
δAH 表示电池经过 N 次放电循环后,电芯容量的百分比变化。
T 是电池温度。如果要按温度对参数进行制表,请使用温度向量,T 参数指定 T 断点。
该模块还将串联电阻 R0 建模为电荷状态和可选温度的函数。如果按温度对参数进行制表,请使用端电阻,R0(SOC,T) 参数指定串联电阻的查找值网格;否则,请使用端电阻,R0(SOC) 参数。
自放电建模
当电池端子处于开路状态时,内部电流仍可能导致电池放电。这种现象被称为自放电。要启用此效果,请将自放电 参数设置为已启用。
该模块通过基本电池模型两端的一个随温度变化的电阻 RSD(T) 来模拟这些内部电流。如果要按温度建立参数表格,可以使用自放电电阻,Rleak(T) 参数指定该电阻的查表值;否则,请使用自放电电阻,Rleak 参数。
电荷动态特性建模
电池无法对负载变化做出即时响应。它们需要一些时间才能达到稳态。这种随时间变化的属性是由电池充电动态引起的,并在等效电路中通过并联的 RC 支路进行建模。
您可以使用电荷动态特性 参数对电池充电动态进行建模:
无动态特性 - 等效电路中不包含并联的 RC 电路。电池的端电压与内部充电电压之间不存在延迟。
单时间常数动态特性 - 等效电路包含一个并联的 RC 电路段。如果要按温度对参数进行分表,请使用 First time constant, tau1(SOC,T) 参数指定时间常数;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC) 参数。
双时间常数动态特性 - 等效电路包含两个并联的 RC 分路。如果需要按温度对参数进行分表,请使用 First time constant, tau1(SOC,T) 和 Second time constant, tau2(SOC,T) 参数来指定时间常数;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC) 和 Second time constant, tau2(SOC) 参数。
三时间常数动态特性 - 等效电路包含三个并联的 RC 分路。若需按温度对参数进行制表,请使用 First time constant, tau1(SOC,T)、Second time constant, tau2(SOC,T) 和 Third time constant, tau3(SOC,T) 参数来指定时间常数;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC)、Second time constant, tau2(SOC) 和 Third time constant, tau3(SOC) 参数。
四时间常数动态特性 - 等效电路包含四个并联的 RC 分路。若需按温度对参数进行制表,请使用 First time constant, tau1(SOC,T)、Second time constant, tau2(SOC,T)、Third time constant, tau3(SOC,T) 和第四时间常数,tau4(SOC,T) 参数来指定时间常数;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC)、Second time constant, tau2(SOC)、Third time constant, tau3(SOC) 和第四时间常数,tau4(SOC) 参数。
五时间常数动态特性 - 等效电路包含五个并联的 RC 分路。如果要按温度对参数进行制表,请使用 First time constant, tau1(SOC,T)、Second time constant, tau2(SOC,T)、Third time constant, tau3(SOC,T)、第四时间常数,tau4(SOC,T) 和第五时间常数,tau5(SOC,T) 参数来指定时间常数;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC)、Second time constant, tau2(SOC)、Third time constant, tau3(SOC)、第四时间常数,tau4(SOC) 和第五时间常数,tau5(SOC)。
该图显示了由两个时常数动态过程构成的模块的等效电路。

在图中:
R1 和 R2 是并联的 RC 电阻。如果要按温度对参数进行制表,请分别使用第一极化电阻,R1(SOC,T) 和第二极化电阻,R2(SOC,T) 参数指定这些值;否则,请使用第一极化电阻,R1(SOC) 和第二极化电阻,R2(SOC) 参数。
C1 和 C2 是并联的 RC 电容。每个并联段的时间常数 τ 通过关系式 将 R 与 C 值关联起来。如果要按温度对参数进行制表,请分别使用 First time constant, tau1(SOC,T) 和 Second time constant, tau2(SOC,T) 参数为每个部分指定 τ;否则,请使用 First time constant, tau1(SOC) 和 Second time constant, tau2(SOC)。
R0 是串联电阻。若需按温度对参数进行制表,请使用端电阻,R0(SOC,T) 参数指定此值;否则,请使用端电阻,R0(SOC) 参数。
电池衰减建模
电池衰减是指电池在反复充放电循环过程中性能逐渐下降的现象。当衰减特性 参数设置为方程 时,电池衰减的建模方式如下。
基本电池模型的开路电压会随放电循环次数成比例地衰减 n:
其中 δv0 表示经过 N 次放电循环后开路电压的变化百分比。使用 N 次放电循环后开路电压变化 (%) 参数指定 δv0。
注意
Battery (Table-Based) 模块追踪电流并随时间对其进行积分。每提取一次等效电芯放电容量,放电循环次数 n 就会增加 1。
用于计算电荷状态的标称电量会随放电循环次数的平方根呈衰减趋势:
电池模型中的所有电阻也会随放电循环次数的平方根而衰减:
其中:
Ri 是第 i 个电阻
δRi 表示该电阻值在 N 个周期内的百分比变化
根据您对该模块的配置情况,电阻值可能包括:
串联电阻--使用 N 次放电循环后端电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
自放电电阻--使用 N 次放电循环后自放电电阻变化 (%) 参数指定在 N 个循环中的百分比变化。
首次充电动态电阻--使用 N 次放电循环后第一极化电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
第二项电荷动力学电阻--使用 N 次放电循环后第二极化电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
第三项电荷动力学电阻--使用 N 次放电循环后第三极化电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
第四项电荷动力学电阻--使用 N 次放电循环后第四极化电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
第五项电荷动力学电阻--使用 N 次放电循环后第五极化电阻变化 (%) 参数指定在 N 个周期内的百分比变化。
注意
您还可以使用查找表(与温度独立)或查找表(与恒定温度相关)来模拟电池衰减特性。选择这两项中的任何一项,都会相应地更改模块的参数。如需了解更多信息,请参阅 衰减 参数选项卡。
热效应建模
电池温度由模型中所有欧姆损耗的总和确定:
其中:
Mth 是电池的热质量。
i 对应于第 i 个欧姆损耗贡献器。根据您对该模块的配置情况,损失可能包括:
串联电阻
自放电电阻
第一段电荷动态特性
第二段电荷动态特性
第三段电荷动态特性
第四段电荷动态特性
第五段电荷动态特性
VT,i 是电阻器 i 两端的电压降。
RT,i 是电阻器 i。
电池老化建模
您可以对电池闲置时出现的性能劣化进行建模。日历老化会同时影响内部电阻和容量。特别是,电阻的增加取决于多种机制,例如在阳极和阴极上形成固体电解质界面 (SEI),以及电流收集器的腐蚀。这些过程主要取决于储存温度、储存时的电荷状态以及时间。
您可以在 Battery (Table-Based) 模块中通过将建模选项 参数设置为以下值来模拟日历老化:
基于方程
随温度变化的数据表
数据表: 时间和温度
注意
Battery (Table-Based) 模块仅在初始化期间应用日历老化机制。当将内阻日历老化 或容量日历老化 参数设置为已启用 时,该模块会暴露时间间隔向量 参数,该参数表示在仿真开始前电池的老化时间。此选项不涵盖仿真过程中的日历老化。
该方程定义了电池因日历老化导致的端电阻增加量:
,其中:
Voc 就是存储期间归一化开路电压,V/Vnom。
R0 是内阻。
ti 是从时间间隔向量参数派生出的时间采样。
Ti 源自温度向量,T 参数。
b 就是端电阻随电压变化的线性缩放系数,b。
c 就是端电阻随电压变化的常偏移量,c。
d 就是端电阻随温度变化的指数递增系数,d。
a 就是端电阻时间指数,a。
q 是电子的基本电荷,单位为库仑 (C)。
k 是玻尔兹曼常数,单位为焦耳每开尔文。
该方程定义了电池因日历老化导致的容量衰减:
其中:
C0 是初始容量。
b 就是容量随电压变化的线性缩放系数,b。
c 就是容量随电压变化的常偏移量,c。
d 就是 Capacity temperature-dependent exponential increase, d。
a 就是 Capacity time constant, a。
如果将存储条件 参数设置为指定存储期间的荷电状态,该模块将利用存储期间电荷状态与温度对应的查表电压 V0,将存储期间的电荷状态转换为归一化开路电压。
老化后的端电阻是端电阻 R0(SOC,T)、电阻增幅百分比 dR0以及描述日历老化时间依赖性的幂律
的乘积,其中:
T 是电池温度。如果要按温度对参数进行制表,请使用温度向量,T 参数指定 T 断点。
Tst 就是存储温度向量。
tst,i 和 tst,i-1 是从时间间隔向量 推导出的时间采样点。
假设 t0 为空。
tst,m 是测量电阻增加量 dR0 的时刻。
该公式同样适用于计算老化电池的容量。
老化后的端电阻是端电阻 R0(SOC,T) 与 dR0:
的乘积。
该公式同样适用于计算老化电池的容量。
预定义参数化
“电池(基于表格)”模块提供了多种内置参数化方案(参见下表)。
通过使用此预参数化数据,可以对模块进行设置,使其表示特定供应商的组件。这些电池的参数化设置与制造商数据表中的放电曲线相匹配。要加载预定义的参数化设置,请双击“电池(基于表格)”模块,点击所选部件 参数的 <点击以选择> 超链接,然后在“模块参数化管理器”窗口中,从可用组件列表中选择要使用的部件。
该数据模型提供了锂离子电池的预设稳态电学参数。开路电压,V0(SOC)、端电阻,R0(SOC,T)、电芯容量,AH、Percentage change in cell capacity, dAH 和开路电压百分比变化,dV0(N) 参数是根据制造数据表中的特性曲线确定的。电池循环寿命导致的串联电阻变化、热质量以及动态 RC 网络参数均未被参数化。相反,RC 网络中各电阻的等效电阻会被累加到特定预参数化数据的串联电阻中。如果需要填写 RC 参数数据,请从串联电阻数据中减去 RC 网络的净电阻。
现有数据针对不同温度下的 1C 放电电流进行了参数化处理,放电电流范围直至数据表中规定的最小端子电压。低于最小端子电压的数据为外推值。参数开路电压,V0(SOC) 被近似为与温度无关。在较低温度下,处于低 SOC 区域时,端电阻保持恒定,且等于端子电压最低时的电阻值。这可能会导致热损耗增加。
注意
Simscape™ 组件的预定义参数化使用可用的数据源获取参数值。缺失的数据使用工程判断和简化假设来填补。因此,仿真物理行为与实际物理行为之间可能存在偏差。为了确保准确性,请根据试验数据验证仿真行为,并根据需要优化组件模型。
有关预参数化的详细信息以及可用组件列表,请参阅Simscape Electrical Part Collection (Simscape Electrical)。
绘制基本电压-电荷特性曲线
您无需构建完整模型即可绘制Battery (Table-Based)模块的基本电压-电荷特性曲线。利用这些曲线图来探索参数选择对设备特性的影响。若从数据表对模块进行参数化设置,可将绘制的曲线与数据表进行对比,以验证模块参数化设置的正确性。若您拥有完整的可运行模型却不知该选用哪款制造部件,可将您的曲线图与数据手册进行比对以辅助决策。
要绘制基本特性曲线,请在实用工具 部分中,点击 OCV-SOC 曲线 参数旁边的 Plot 按钮。 (自 R2026a 起)有关详细信息,请参阅Plot Basic Voltage-Charge Characteristics of Battery Blocks (Simscape Electrical)。
示例
端口
输出
守恒
参数
参考
[1] Tarun, H., M. Ceraolo, J. Gazzarri, and R. Jackey. “High Fidelity Electrical Model with Thermal Dependence for Characterization and Simulation of High Power Lithium Battery Cells.” In 2012 IEEE International Electric Vehicle Conference, 1–8, 2012. https://doi.org/10.1109/IEVC.2012.6183271.
[2] Schmalstieg, J., S. Käbitz, M. Ecker, and D. U. Sauer. “A Holistic Aging Model for Li(NiMnCo)O2 Based 18650 Lithium-Ion Batteries.” Journal of Power Sources 257 (July 2014): 325–334. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.02.012.
[3] Zhang, R., and Z. Pan. “Model Identification of Lithium-Ion Batteries Considering Current-Rate Effects on Battery Impedance.” In 2019 4th International Conference on Power and Renewable Energy (ICPRE), 305–309, 2019. https://doi.org/10.1109/ICPRE48497.2019.9034704.
[4] Baronti, F., N. Femia, R. Saletti, C. Visone, and W. Zamboni. “Hysteresis Modeling in Li-Ion Batteries.” IEEE Transactions on Magnetics 50, no. 11 (November 2014): 1–4. https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2323426.
[5] Baronti, F., W. Zamboni, N. Femia, R. Roncella, and R. Saletti. “Experimental Analysis of Open-Circuit Voltage Hysteresis in Lithium-Iron-Phosphate Batteries.” In IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 6728–6733, 2013. https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6700246.
扩展功能
版本历史记录
在 R2018a 中推出另请参阅
主题
- Characterize Powertrain Blockset and Simscape Battery Blocks (App) (Model-Based Calibration Toolbox)
- Simscape Electrical Part Collection (Simscape Electrical)




