电池系统建模与系统管理 ——评《电池建模与电池管理系
统设计》
王 燕，王红云 【期刊名称】《电池》 【年(卷),期】2019(049)005 【总页数】2 ·广告·书评·
基金项目：河南省教育厅2019年度一般项目(2019-ZDJH-222)
随着科学技术的发展，电池的应用范围越来越广泛。在各类应用中，电池常作为一种关键部件，因此需要具有较好的性能和较长的使用寿命。这也是电池研究者一直追求的目标。电池建模是电池管理的重要组成部分，研究设计要基于不同电池特性来建立不同的模型，使电池与模型之间有较好的匹配。建立精确的电池模型，能起到较好的仿真效果，能对电池放电状态进行有效地监控，对不同参数进行准确的辨认估计，还能预防并诊断故障。如果能突破电池建模核心技术，建立一个高效精确的模型，将能有效地提高电池的安全性能、延长使用寿命，同时提高相关设备的使用质量。与此同时，随着电池容量的增加，电池组的一致性和安全性显得更为重要。电池管理系统(BMS)是电池发挥性能的基础，目前，电池的建模与管理系统虽然也得到了发展，但电池各项参数具有多维性，使用环境具有复杂性，给电池建模和管理系统都带来巨大的困难和挑战。《电池建模与电池管理系统设计》作为一本专业书籍，为相关工作人员解决这些问题提供了重要借鉴。
《电池建模与电池管理系统设计》由克里斯多夫·D·瑞恩编写、机械工业出版社
出版，是一本介绍电池系统工程知识，供相关专业学者和工作人员学习和使用的专业书籍。本书从介绍BMS开发所必需的背景出发，提供了相关的模型和求解技术，并深刻探讨了BMS开发的理论，提高了读者认识。本书主题涵盖了从基本电化学到系统工程等多个方面，并提供了用于纯电动和混合动力汽车平台、电力储能等系统工程的电池建模基础。第一章介绍电池模型和系统管理的应用和背景；第二章介绍铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的电化学知识，并比较了几种电池的性能；第三章讲解不同电池的控制方程；第四章探讨几种不同的离散化方法；第五章从时域响应、频域响应和模型降阶等方面介绍系统响应；第六章进一步介绍铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的模型；第七章探讨电池荷电状态(SOC)和电池健康状态(SOH)的估计方法；第八章总结BMS的特性，提出应该注意的事项。该书作者的研究视野开阔，书中涵盖了先进的理论，并对很多实例进行了探讨；书中还附有不同电池模型的实图，每个章节设置相关习题，如果读者能深度阅读，将会有较多的收获。
《电池建模与电池管理系统设计》首先介绍了电池的电化学基础知识，提出控制方程的守恒定律和反应动力学，为电池模型的开发、简化和模型评估、控制提供了基础。然后，研究了离散电池模型控制方程和计算方法，电池的控制方程往往是非线性或者非常系统的，很难解析出结果，需要用数值分析的方法来离散控制方法，书中提到6种主要的离散方法，如积分近似法(IMA)、帕德近似法、Ritz法、有限元法、有限差分法和系统辨识法等，并系统探讨了每种离散方法的特点和适用范围，为电解液扩散、固相扩散和液-固相扩散的模型提供了解析方法。对电池实际应用中的系统而言，模型计算应具备快速收敛能力，从而能快速准确掌握电池状态，因此，该书对比了阶跃相应和频率对于系统预
测的准确性，有助于理解电池对频率相应和时间响应特性，从而实现控制系统对电池内部电路和反应机理的模拟。通过前面的解析，能将电池无限维的控制方程简化为有限阶模型。电池在使用时，是通过串并联从单体扩展到电池组，从而提升额定电压和输出电流的，在串并联后，每只单体电池的参数并非完全一致，这种不平衡性会对电池的性能造成较大影响；另外，电池在使用后，各种参数也会随着环境温度、湿度和充放电循环次数的改变而改变，因此想准确地模拟电池，具有一定的难度。《电池建模与电池管理系统设计》在介绍完基础知识后，探讨了铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的模型，从控制方程到离散化方法，采用Ritz法、解析法、IMA法和离散化等方法，仿真得出在阶跃充放电电流下的电压时间响应和频率响应；还分析了输出电压的内部电位和浓度分布随时间推移而发生的变化。虽然线性模型不能完全准确地表述输出响应，但对电池的很多性能都能进行性能仿真，可为为电池的估算和管理提供基础。 对电池SOC的准确估算，既是估算电池续航能力的基本要求，又是提升电池利用效率和安全性能的基本保证。电池的SOC不能直接测量，需要通过测量每只电池的电压、电流和温度，通过一定算法模型进行估计，因此，算法模型十分重要。《电池建模与电池管理系统设计》中提到，利用Kalman滤波器、扩展Kalman滤波器和无痕物理模型滤波器等建立等效电池模型，对锂离子电池进行SOC预测，并利用最小二乘法模型对SOC算法模型进行校正。随着电池数据库的不断积累、电流电压测量精度的进一步提高、电池模型更加精确的引入，SOC的算法可以进一步与整车控制器结合，朝简单、高效和准确的方向发展。随着使用时间的增加，电池的容量会逐渐减少、内阻会逐渐增大，电池会逐渐老化。影响电池使用寿命的因素主要有温度、充放电倍率、充放电截止电压等
电池系统建模与系统管理——评《电池建模与电池管理系统设计》
