4.3.1 锂离子电池模型
1）简介
锂离子电池单体由正极、负极、电解液、隔膜和集流体组成。电池的放电过程，本质上就是锂离子在电极嵌入、脱出以及在电解液和隔膜间扩散的过程。充电过程中，锂离子由正极脱出进入电解液，穿过隔膜后嵌入负极，形成稳定的化合物，由于电子无法通过隔膜，只能从外电路由正极流向负极，就构成了外部放电回路。因此，在建模过程中既要关注电池的稳态特性，又需要对电池的动态特性进行刻画。
通常情况下，单体电池通过先并后串的方式成组，电池组容量与单体电池容量按照并联关系成比例增加，电池组电压、内阻与单体电池电压、内阻按照串联关系成比例增加。这里的内阻一般是指电池的欧姆内阻。但是，根据电池的工作原理，在负载波动时，电池组端电压不仅表现出快速的欧姆压降，更多的是反映出极化效应下的极化压降。那么，如何能够快速、准确地刻画电池组的极化特性也是锂离子电池组建模的关键。这里，采用最为常见且有效的等效方式，即将电池组用一个等效电路模型进行描述，将电池组看作一个“大单体”，电池模型在形式上可以沿用单体电池的架构。图4-11所示为锂离子电池示意图。
图4-11 锂离子电池示意图
2）原理与模型
电池组模型确立为采用单体等效电路模型的架构后，其部件主要包括一个等效电压源、一个等效内阻、一个RC电路、一个自放电电阻，另外，根据蓄电池的充放电情况实时计算其容量、充放电循环次数等表征电池当前状态的物理量。现阶段模型考虑恒定温度情况。可根据电池的特性，为了更加准确描述极化电压，在模型串联回路中增加RC网络，但是增加的RC网络同时会增加模型的参数数量，继而增加模型复杂度，这就需要根据实际情况酌情增加。若在一些初步设计阶段，不考虑精准刻画电池的动态特性，则可以在串联回路去掉RC网络环节，简化为3.2.3节中提到的Rint模型。
图4-12展示了利用Modelica构建的锂离子电池组模型，该模型来自等效电路建模方法，是基于一阶RC模型打造的兼顾仿真精度和实时性的最常用的一种模型。模型中的RC并联环节如图4-12中虚线框所示，考虑了热电耦合作用，其参数随电池温度的变化而变化，更加准确地刻画出电池性能随工作温度变化的特点。模型按照安时积分法（式（4-3））的原则设置了荷电状态（SOC）计算单元模块，并可根据充放电循环数确定电池当前的健康状态（式（4-4）），从而依据当前健康状态进行准确的荷电状态计算。
锂离子电池组模型参数设置卡如图4-13所示，通过设置相应的参数，完成对电池组的建模过程。
3）参数信息
（1）设计参数，见表4-16。
图4-12 基于一阶RC的锂离子电池组Modelica模型
图4-13 锂离子电池组模型参数设置卡
表4-16 设计参数
（2）型号参数，见表4-17。
表4-17 型号参数
（3）电路参数（内部参数），见表4-18。
表4-18 电路参数
4）接口信息
（1）输出接口，见表4-19。
表4-19 输出接口
（2）物理双向接口，见表4-20。
表4-20 物理双向接口
