首页 > 解决方案 > 汽车 > MapleSim高保 MapleSim高保真、高性能电池模型帮助制造商设计更环保的汽车

挑战
  随着油价的上涨和人类越来越关心环境问题,汽车公司在电动车和混合动力车的研发上投入了很大的努力,特别是开发高效、高性价比的电动汽车,相比油耗汽车具有更高的性能。汽车企业在车辆开发流程中越来越注重虚拟样机,达到显著减少开发时间和成本的效果,因此电动车开发中有必要拥有一个具有计算效率、高保真的电池模型。

  当前大部分基于物理的电池模型电解质溶液理论,从数学上描述了通过一个简化的一维空间电池结构的电现象。例如,在锂离子电池的放电周期中(见图1),Li+离子的扩散引起电化学反应,从而产生电解溶液中的离子流。一维空间电池结构可以使用全阶分布式电池模型。在全阶模型中,通过几个偏微分方程(PDEs)描述电化学、扩散、和传送过程。全阶模型通常需要数小时在计算流体框架内通过数值算法得到结果。过长的仿真时间并不适合汽车应用,因此需要其他更有效的方法。

图 1:锂离子电池(Li-ion cell)的剖析图

解决办法
  通过使用MapleSim,可以建立高度精确的电池模型,同时快速仿真。这些模型提供了电池性能的关键信息,迎合汽车电池实时仿真的需要。

  MapleSim和Maple的符号计算功能允许使用Galerkin近似方法创建锂离子电池模型。Galerkin方法的第一步是选择一组正交基函数满足偏微分方程组(描述空间维数‘x’上Li+浓度和电势,见图1)的边界条件。通常,一个周函数或多项式函数可以满足,从而得到基函数的有限和表示的近似解,代入到原偏微分方程得到称为残差的误差函数。在Galerkin方法中,这些残差和基函数的乘积将等于0。这种方法产生一组微分代数方程,可以使用数值求解器求解。

  所有的这些步骤可以轻松在Maple使用强大的符号计算和丰富的代数算法库轻松实现。作为例子,图2显示了液态下li-ion浓缩的离散化。

图 2:使用Galerkin方法离散化Li-ion液态下的浓缩


图 3:MapleSim中锂离子电池以串联方式连接

  为了仿真这些电池,使用Galerkin方法得到的微分代数方程可以很容易地转换为MapleSim自定义元件。图3显示了四个锂离子电池串联组成的电池组通过脉冲电流放电。该模型中每个电池的物理参数和电荷状态显示在图4中。

图 4:电池电压和电荷状态
  电池模型可以加入到更大的系统模型中。图5显示了MapleSim中的一个混联式混合动力车模型。这个复杂系统包含70个单元的锂离子电池组、均值内燃机引擎、电动机和发电机、功率控制器、动力耦合器、以及一个含差动齿轮的14自由度的底盘。通过在Intel 2.4GHz双核处理器上的实时仿真,MapleSim模型相比要快4倍,高性能得益于高效的电池模型和MapleSim提供的符号技术。

图 5:混联混合动力车模型
小结
  使用MapleSim,可以获得高保真的电池模型,满足硬件在环测试中实时仿真所要求的速度。MapleSim基于元件建模的灵活性和Maple的符号计算技术允许开发高精度和客户化的电池模型。这些新的电池模型可以集成到更大的电动车辆模型中,帮助汽车制造商开发出更高性能的电动汽车,同时降低开发成本。

  如果您对本文中的MapleSim电池模型感兴趣,请联系莎益博设计系统开发(上海)有限公司。