1.2.7 储能系统性能设计

自然界中能够直接被人类转换和利用的能源称为一次能源。能量以化学能、热能、动能或者其他形式储存在一次能源中。经过一次或多次的能量转换的能源被称为二次能源。对于二次能源，一般要求转换效率尽可能高，便于储存和运输。常见的二次能源储能系统有动力蓄电池和储氢系统。本书主要介绍动力蓄电池。

1.动力蓄电池类别及基本原理

常见电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、磷酸铁锂电池等。这些电池具有表1-12所列的基本技术参数。

其中以锂离子电池在汽车行业中应用最广泛。锂离子电池具有一定的相似性，但是化学性质可以有很大的不同。锂钴、锂锰、锂镍锰氧化物和锂铝的相似之处在于它们具有高容量，可用于便携式应用。磷酸锂和钛酸锂具有较低的电压和较小的容量，但是非常耐用。表1-13列出了各种主要锂离子电池的特性。

动力蓄电池系统由很多电芯组成，根据车辆的电压平台、功率和能量的要求，可通过串联、并联或者串并联混合的形式封装成电池组。

电池电芯的电化学反应示意图如图1-37所示。

2.动力蓄电池仿真模型构建

通常用电池等效电路模型来表征电池端电压和电流之间的关系，这是进行电池关键参数设计的基础。应用最广泛的等效电路模型为戴维南模型，如图1-38所示。

电池的输出参数主要有端电压、荷电状态（SOC）和热功率。戴维南模型假定所有参数均为定值，这显然是不正确的，也不足以支撑性能仿真，需要进一步明确电池的输入-输出特性，因此应建立改进的电池电学模型，如图1-39所示。

1）基本参数。在进行动力蓄电池系统的匹配分析中，需要用到的关键基本参数见表1-14（若无特殊说明，均指电池组的参数）。

2）电学特性参数。通常可以通过试验（如混合脉冲特性试验）数据来对电池等效电路模型的参数进行离线标定。进行混合脉冲特性试验是为了设计动力蓄电池在2s或10s的短时间内、不同的SOC下和不同的工作温度下的充放电能力。同时，通过该试验还可以获得众多电池的电路模型参数。

混合脉冲特性的试验原理图如图1-40所示。

根据电池等效电路，电池端电压和电流的关系可以由如下计算式表示：

端电压为

开路电压为

欧姆电阻器电压为

动态电流为

综上所述，动态电压可以用以下微分方程表示：

则电路的总微分方程为

式中 I_terminal——电池系统端电流（A）；

V_terminal——电池系统端电压（V）；

T——电池温度（℃）；

V_oc、R_ohm、R_dyn、C_dyn——电路模型参数，均为关于电池温度和SOC的函数，通过混合脉冲特性试验结果计算得到。

3）SOC的估算。在动力蓄电池的应用中，SOC是汽车动力性和经济性的重要影响因素，同时通过仪表显示剩余的电量和预测的剩余行驶里程，也可给驾驶人一个重要的判断依据（判断何时需要给汽车充电、当前状态下车辆可供行驶的剩余里程）。但是因多种因素，SOC的计算误差偏大，因此结合多种方法合并测定SOC就具有很大的必要性。一般以电池的电压、电流、温度、使用状态、使用时间等因素来估算SOC。

常用的SOC估算方法见表1-15。

3.动力蓄电池特性曲线

采用AVL Cruise进行车辆动力性仿真分析，一般要用到以下动力蓄电池特性曲线：OCV-SOC曲线、Ohm-SOC曲线、Power Map。

1）开路电压-荷电状态（OCV-SOC）曲线。OCV-SOC曲线是电池在SOC标定过程中非常重要的一条曲线，通常在电动汽车运行了一段时间后，在车辆静置再起动前，电池管理系统（BMS）会调用该曲线，对SOC值进行一次校正，并通过一定的算法和其他校正系数得到一个SOC值的更新。因此该曲线的准确性就显得尤为重要，可能直接影响SOC的精度。典型的OCV-SOC曲线如图1-41所示。

2）内阻-荷电状态（Ohm-SOC）曲线。对锂离子电池而言，电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。典型的Ohm-SOC曲线（即电池内阻）如图1-42所示。

3）功率图（Power Map）。动力蓄电池的Power Map代表了其在不同环境温度、不同SOC下能够输出的功率，这决定了电动汽车在确保必要的用电器能够正常工作的前提下，使电机获得尽可能大的电功率，并转换为机械功率，最终输出到整车上以获得动力性。典型的Power Map如图1-43和图1-44所示。