動力電池阻抗特性的仿真方法和應(yīng)用舉例

文章來源 | CST仿真專家之路

作者 | Wang Yuanteng

之前我們有一系列文章介紹了電動汽車EMC仿真的方法，作為高壓系統(tǒng)中的重要部件，研究動力電池的阻抗特性對于高壓系統(tǒng)的EMC性能分析非常關(guān)鍵。在高壓電池內(nèi)部，控制高壓和低壓耦合有利于減小低壓線的受擾風險，GB/T 18655中規(guī)定了高低壓耦合衰減要求。對于整個高壓系統(tǒng)來說，動力電池阻抗直接影響來自高壓干擾源（如逆變器）的傳導騷擾的傳播；高壓回路產(chǎn)生的磁場也有可能會干擾到一些磁敏感設(shè)備或傳感器；在低頻段，時變的牽引電流產(chǎn)生的磁場對于人體安全，尤其是植入和可穿戴的醫(yī)療設(shè)備的影響也同樣值得關(guān)注。

本期我們將主要介紹仿真動力電池阻抗特性的方法和應(yīng)用舉例。

傳統(tǒng)的電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由多個電芯構(gòu)成電池模組，然后將模組通過螺栓固定在擁有橫梁和縱梁的外殼上，如此重復，多個電池模組最后組成電池包。那么，實際建模仿真就可能包括電芯模型、模組模型和電池包模型，我們可以采取全三維模型建模仿真方法，即建立每一個模組內(nèi)部的電芯模型再到完整的電池包模型；也可以采取混合方法，首先對模組進行建模仿真提取S參數(shù)，再建立從模組到電池包的模型。相比來說，后一種方法具有更高的仿真效率和更低的資源消耗。除此之外，目前流行的Cell to Pack的設(shè)計思路則將電芯以陣列的方式直接裝進電池包內(nèi)，省略了把電芯組裝成模組這一步。本文中，即以 “刀片電池”結(jié)構(gòu)為基本建模對象，首先分析電芯阻抗特性。

對于電芯的建模，由于電芯本身是一個復雜的物理、化學體系，從電化學阻抗譜（EIS）我們可以看到電池阻抗隨頻率變化的過程和其主要影響因素。

針對高壓系統(tǒng)的EMC性能分析，電池阻抗在150kHz-30MHz主要受到集膚效應(yīng)影響呈現(xiàn)感性，因此在電路模型中可以使用等效電路模擬電芯。

此外，電池的阻抗特性也受到溫度、電池荷電狀態(tài)、壽命等因素影響，但對于整個電池包的阻抗仿真，則基于某一狀態(tài)下的電芯，分析包括電池結(jié)構(gòu)、高壓母線、屏蔽結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的整體阻抗性能。

如下圖所示，首先建立單電芯的仿真模型。

仿真得到單電芯阻抗特性Z11。工程中可以導入測試所得S參數(shù)，或通過電路擬合逼近測試結(jié)果。由于本例中沒有實際測試輸入，作為舉例本文中簡單調(diào)整電路獲得擬合后Z11_1。

驗證單電芯模型之后，我們可以建立完整電池包模型，如下圖。

由此獲得整體電池包阻抗，如下。

實際工程中，我們可以將仿真得到的整體電池包阻抗結(jié)果與測試結(jié)果進行對比，評估和優(yōu)化電池包整體模型。

動力電池高低壓耦合衰減仿真

動力電池的電池管理系統(tǒng)包含大量低壓線束，在電池包模型基礎(chǔ)上建立低壓電纜模型，可以仿真高低壓耦合情況，評估低壓線所受干擾風險。

根據(jù)GB/T 18655中HV-耦合衰減測量方法，分別在高壓線和低壓線端設(shè)置端口，仿真高壓正線、高壓負線與低壓線端口間的S參數(shù)，通過計算獲得耦合衰減，結(jié)果如下。

傳導電流仿真

動力電池的阻抗仿真之后，可以進一步用于評估整個高壓系統(tǒng)的輻射發(fā)射和傳導發(fā)射水平，例如CST電動汽車EMC仿真（六）——解鎖GB/T18387整車RE仿真的密碼（中）中展示了兩種電池包對整車RE的影響，CST電動汽車EMC仿真（七）——解鎖GB/T18387整車RE仿真的密碼（下）中介紹了了電池包上方磁場分布的仿真。那么，除了仿真外部的電場和磁場，我們也可以非常容易地在高壓線和屏蔽層上設(shè)置探針，了解高壓系統(tǒng)內(nèi)部電流傳導情況。如下圖所示，使用仿真動力電池得到的touchstone文件建立電路模型，對比是否包含動力電池阻抗兩種情況下高壓線和屏蔽層的電流。

如下圖所示為高壓正和其屏蔽層的電流對比結(jié)果。

從結(jié)果可以看出，兩組電流有顯著差異，那么電流對外輻射所產(chǎn)生的電場和磁場也會受到阻抗影響。因此，在整車EMC仿真建模時電池阻抗不能被忽略。

小結(jié)：本文中我們介紹了動力電池包阻抗分析的方法和思路，并簡單舉例了動力電池阻抗分析的兩種應(yīng)用場景。實際上由于電動汽車電磁兼容性的復雜性，動力電池作為高壓系統(tǒng)的重要組成部分，除針對動力電池本身的仿真外，其阻抗分析結(jié)果可被用于仿真其它部件所產(chǎn)生的干擾和車內(nèi)外電磁環(huán)境分析的模型中，也可以用于整車環(huán)境下的人體SAR仿真（實際上乘客和駕駛員坐在整個電池包的上方位置），對于SAR仿真感興趣可關(guān)注CST SAR仿真系列。