趙理 郝會欣 石香云

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院；2.河北中醫(yī)學(xué)院）

一、引言

“新能源汽車動力電池技術(shù)”是高校車輛工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，其教學(xué)范圍涵蓋動力電池組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)測、剩余電量評估、均衡、建模仿真及管理系統(tǒng)開發(fā)等多項內(nèi)容。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多高校存在動力電池類試驗設(shè)備少、教師缺乏試驗經(jīng)驗、實驗課時少且多為演示性實驗、學(xué)生參與度不高等問題。動力電池實驗具有實驗周期長、危險性高等特點，導(dǎo)致理論與實踐教學(xué)難以有效銜接、學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)緩慢等現(xiàn)象廣泛存在。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，推進信息技術(shù)與高校實驗教學(xué)深度融合、建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)的共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)實驗資源、提高高校學(xué)生綜合實踐能力正成為高校實驗教育信息化的工作重點。

二、典型動力電池實驗的設(shè)備、操作及過程

（一）實驗設(shè)備

當(dāng)前，動力電池充放電測試設(shè)備主要分為兩類：一類是單體充放電設(shè)備，主要完成單體充放電工作模式的選擇、工作循環(huán)結(jié)束條件的設(shè)置、工步編程、過壓及欠壓設(shè)置，以后實驗過程中電壓、電流、容量、能量、功率等參數(shù)變化過程的記錄。例如NBT、索英等；另一類是電池組充放電設(shè)備，主要完成與電池管理系統(tǒng)通信、電池組整體電壓電流安全設(shè)置以及電池組整體電壓、電流、溫度、容量、能量、功率等參數(shù)變化過程的監(jiān)測、控制、記錄等功能。例如Bitrode、群菱等。

（二）電池性能衰退機理及充放電實驗過程描述

動力電池管理系統(tǒng)(BMS)是通過對電池狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測、估計、預(yù)測來管理或控制動力電池的充放電過程。當(dāng)前的動力電池類課程實驗主要包含充放電過程演示、性能衰退規(guī)律驗證、不同工況對電池充放電性能參數(shù)影響、狀態(tài)估計及均衡、電池安全及失效控制等實驗。事實上，如圖1所示，隨著電池內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)性能的改變及外部使用條件的不同，電池真實的充放電過程及其外部可測量參數(shù)的演化規(guī)律是很難通過確定的理論模型或參數(shù)方程來刻畫的。

圖1 鋰電池長期演化過程

當(dāng)前，工程上常用安時積分法、開路電壓法、內(nèi)阻法、等效電路模型等方法來對電池性能參數(shù)、充放電及衰退過程進行表達。然而，電池的運行及老化過程是一個漸變、復(fù)雜、連續(xù)的非線性過程，使用電池外部測量參數(shù)及在較短時間內(nèi)構(gòu)建的顯性理論模型對電池外在的充放電行為進行刻畫，很難得到電池在不同實驗環(huán)境及設(shè)置下的精確解。因此，常規(guī)基于常微分方程構(gòu)建動力電池虛擬仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線很難實現(xiàn)。

三、基于隨機森林的動力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

（一）實驗數(shù)據(jù)集

本實驗使用豐田研究所提供的動力電池工況循環(huán)開放式數(shù)據(jù)集，實驗由124個在快速充電條件下循環(huán)到失效的商用鋰離子電池組成。電池單體是A123生產(chǎn)的鋰離子磷酸鹽(LFP)/石墨電池，實驗設(shè)備為48通道Arbin LBT，強制對流溫度30℃，電池標(biāo)稱容量1.1Ah，標(biāo)稱電壓3.3V。

數(shù)據(jù)集中單體使用一步或兩步充電策略，格式為“C1(Q1)-C2”，其中 C1和 C2分別為恒流第1和第2步充電倍率，Q1為步驟切換時的荷電狀態(tài)(SOC)。第2個電流步驟結(jié)束在80%SOC，之后電池以恒壓方式充電，上、下截止電位分別為3.6 V、2.0 V。數(shù)據(jù)集分三個批次，每批大約48個單體，將T型熱電偶與熱環(huán)氧樹脂和膠帶連接到暴露的電池上，剝離小部分塑料絕緣后測量溫度（表1）。

表1 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集

（二）基于隨機森林的動力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

動力電池充放電實驗過程仿真受實驗參數(shù)多、工況復(fù)雜、過程具有非線性等因素制約，很難基于常微分方程構(gòu)建動力電池虛擬仿真系統(tǒng)。而隨機森林算法具有處理數(shù)據(jù)維度高、泛化能力強等特點，很適合用來構(gòu)造具有復(fù)雜非線性特點的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計過程中，將1階段充電倍率、SOC上限、2階段充電倍率、環(huán)境溫度、循環(huán)次數(shù)、充電電量或放電電量作為隨機森林輸入，將電壓隨時間變化作為仿真系統(tǒng)輸出，構(gòu)造虛擬仿真實驗系統(tǒng)。具體步驟如下：

Step1：將真實重放電數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練樣本，將C1、C2、Q1、Cd、Qc、cycle、T作為輸入，將V、IR作為響應(yīng)，訓(xùn)練隨機森林，構(gòu)造充電過程仿真模型；

Step2：將 C1、C2、Q1、Cd、Qd、cycle、T作為輸入，將V、IR作為響應(yīng)，構(gòu)造放電過程仿真模型；

Step3：用戶提出實驗方案，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入選擇、設(shè)置充、放電或其組合模型，利用模型輸出動態(tài)仿真過程中電壓、電流隨時間變化曲線，完成輸出。

（三）案例教學(xué)應(yīng)用

基于該虛擬仿真系統(tǒng)開展的動力電池系統(tǒng)仿真實驗與傳統(tǒng)動力電池充放電實驗相比，學(xué)生參與了整個實驗方案的設(shè)計過程、模型的構(gòu)造過程，專業(yè)知識得到了鞏固、主觀能動性得到了發(fā)揮。仿真實驗教學(xué)過程中，需要學(xué)生在充分掌握動力電池性能指標(biāo)含義后，針對具體的充放電循環(huán)開展電池性能衰退規(guī)律分析、充放電過程中影響因素分析、電池SOCSOH預(yù)測分析等實驗過程分析。由于涉及知識面廣，既包括基礎(chǔ)理論分析，也包括仿真模擬，因此采用分組模式。組員分工明確，相互配合，共同完成虛擬仿真實驗。

四、動力電池虛擬仿真系統(tǒng)案例教學(xué)實踐

下面以庫倫效率驗證實驗為例，介紹動力電池虛擬仿真實驗教學(xué)過程。

（一）動力電池庫倫效率驗證實驗案例設(shè)計

1.控制參數(shù)設(shè)計

通過動力電池充放電實驗計算某動力電池在不同工況下的庫倫效率時，根據(jù)實驗要求完成以下幾個實驗步驟的設(shè)置：①選擇單體實驗通道：由于虛擬仿真實驗中不同用戶的實驗請求被分配到不同實驗通道上隔離運行，因此，在實驗前要選擇合適的通道，設(shè)置不同通道的通信參數(shù)；②設(shè)置充放電控制參數(shù)：使用不同充電策略進行電池實驗時，要將該充電模式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能理解的控制參數(shù)，利用參數(shù)來控制不同的充放電模式和過程；③設(shè)計工步循環(huán)：在對復(fù)雜連續(xù)的充放電過程進行設(shè)計時，要利用系統(tǒng)提供的工步操作、結(jié)束條件、循環(huán)控制變量來設(shè)計充放電實驗過程。

設(shè)置案例見圖2。

圖2 動力電池充放電實驗設(shè)計

工步1：變量“循環(huán)1”清零，擱置 10S，執(zhí)行下一步；工步2：以10A電流對電池進行恒流充電1小時，限制電壓4.2V，變量“循環(huán)1”+1，執(zhí)行下一步； 工步3：恒壓4.2V充電到電流小于≦0.1A，執(zhí)行下一步；工步4：擱置5分鐘，執(zhí)行下一步；工步5：20A恒流放電到電壓≦2.75V，執(zhí)行下一步；工步6：擱置10分鐘，對變量“循環(huán)2”清零，執(zhí)行下一步；工步7：5A恒流充電2個小時，限制電壓4.2V，變量“循環(huán)2”+1，執(zhí)行下一步；工步8：恒壓4.2V充電到電流小于≦0.1A，執(zhí)行下一步；工步9：擱置5分鐘，執(zhí)行下一步；工步10：5A恒流放電到電壓≦2.75V，執(zhí)行下一步；工步11：擱置10分鐘，執(zhí)行下一步；工步12：判斷變量“循環(huán)2”，如果≦10則轉(zhuǎn)到工步7，否則執(zhí)行工步13； 工步13：擱置5分鐘，執(zhí)行下一步；工步14：判斷變量“循環(huán)1”，如果≦100跳轉(zhuǎn)工步2，否則停止通道。

2.實驗過程展示

動力電池充放電實驗過程通過充放電曲線直接展示給實驗者。橫坐標(biāo)一般設(shè)置為時間，單位：秒。其值可由隨機森林的輸入變量Qc、Qd與充放電倍率經(jīng)計算獲得?？v坐標(biāo)為隨機森林的預(yù)測輸出值，一般是電壓、電流或內(nèi)阻。為了直觀反映控制工步的具體設(shè)置，輸出面板還展示出當(dāng)前控制命令的記錄號、累計積累時間、當(dāng)前電壓、電流、容量、能量、功率、阻抗等指標(biāo)值，如圖3所示。

圖3 動力電池CC-CV充電過程仿真

3.實驗結(jié)果分析

本次實驗案例中，實驗設(shè)計的目的是通過測試多次、不同工況下動力電池的輸出電量來計算不同條件下電池的庫倫效率。因此，實驗設(shè)計階段，設(shè)計了多組不同放電/充電電流、不同環(huán)境溫度、不同SOC工況下的充放電實驗，來獲取充電/放電容量。最后，通過與標(biāo)準(zhǔn)工況下容量比較來計算庫倫效率。

計算過程如下：

（1）庫侖效率(η)：令I(lǐng)d表示放電電流,Ic表示充電電流, td表示放電時間, tc表示充電時間, 那么，被測電池的庫侖效率η可用下式計算：

（2）庫侖效率(ηc,In)：將待測電池以C/3速率放電至截止電壓，接著以特定電流In充電至SOC=1，其充電容量為Qc,In=In·tc,In, 其中,tc,In表示充電時間, 其放電容量 為Qd,C/3=(C/3)td,C/3，其中,td,In 表示放電時間,那么，被測電池的充電庫侖效率ηc,In可用下式計算：

（3）庫侖效率(ηd,In):將待測電池以In速率放電至截止電壓，接著以C/3速率充電至SOC=1，其充電容量為Qc,C/3=(C/3)·tc, C/3,其中,tc,C/3表示充電時間,靜置10分鐘,接著以In速率放電至截止電壓。其放電容量為Qd,In=( In)td,In，其中, td,In表示放電時間,那么,被測電池的放電庫侖效率ηd,In可用下式計算：

（二）案例教學(xué)實施效果

“新能源汽車動力電池技術(shù)”課程授課過程中，學(xué)生在完成電池組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)測、測試等授課內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，2人一組開展仿真實驗，包括模型搭建、充放電實驗設(shè)計、結(jié)果分析與實驗報告撰寫等環(huán)節(jié)。學(xué)生全程參與了充放電的方式選擇、控制參數(shù)設(shè)置、工步設(shè)計、過程分析、結(jié)果展示等工作。在虛擬仿真模型構(gòu)建過程中，學(xué)生可以直觀理解不同充放電策略對電池性能衰退及充放電行為的影響；在系統(tǒng)充放電過程仿真環(huán)節(jié)，學(xué)生通過對電池外部監(jiān)測變量的持續(xù)監(jiān)測與跟蹤，可以進行電池容量、SOC、SOH等基本概念、基本公式的計算與驗證；在實驗結(jié)果分析環(huán)節(jié)，學(xué)生可以完成不同工況環(huán)境下庫倫效率的測定、剩余容量的估算等實驗內(nèi)容。

通過動力電池虛擬仿真實驗，達到了如下教學(xué)效果：

（1）強化了對基礎(chǔ)理論知識的掌握，建立了知識點與工程實際問題之間的聯(lián)系，鍛煉了學(xué)生運用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力；（2）使學(xué)生掌握了利用充放電仿真軟件開展動力電池系統(tǒng)設(shè)計和性能仿真的方法，提高了科研創(chuàng)新能力；（3）動力電池仿真模型是學(xué)生自主搭建的，激發(fā)了學(xué)生的自主思考和動手的能力；（4）通過教學(xué)活動中的團隊合作，提高了學(xué)生的團隊意識。

五、結(jié)論

針對當(dāng)前動力電池實驗過程中存在的實驗成本高、周期長、危險性大、實驗設(shè)備少、學(xué)生自主性差等問題，結(jié)合專業(yè)課程實驗的實際，提出了基于隨機森林的動力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計和教學(xué)應(yīng)用方法。實踐結(jié)果表明，建立的動力電池虛擬仿真系統(tǒng)能有效克服當(dāng)前真實實驗環(huán)節(jié)存在的問題，保證了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安全性和便捷性。