动力电池阻抗特性的仿真方法和应用举例

文章来源 | CST仿真专家之路

作者 | Wang Yuanteng

之前我们有一系列文章介绍了电动汽车EMC仿真的方法，作为高压系统中的重要部件，研究动力电池的阻抗特性对于高压系统的EMC性能分析非常关键。在高压电池内部，控制高压和低压耦合有利于减小低压线的受扰风险，GB/T 18655中规定了高低压耦合衰减要求。对于整个高压系统来说，动力电池阻抗直接影响来自高压干扰源（如逆变器）的传导骚扰的传播；高压回路产生的磁场也有可能会干扰到一些磁敏感设备或传感器；在低频段，时变的牵引电流产生的磁场对于人体安全，尤其是植入和可穿戴的医疗设备的影响也同样值得关注。

本期我们将主要介绍仿真动力电池阻抗特性的方法和应用举例。

传统的电池包内部结构，是由多个电芯构成电池模组，然后将模组通过螺栓固定在拥有横梁和纵梁的外壳上，如此重复，多个电池模组最后组成电池包。那么，实际建模仿真就可能包括电芯模型、模组模型和电池包模型，我们可以采取全三维模型建模仿真方法，即建立每一个模组内部的电芯模型再到完整的电池包模型；也可以采取混合方法，首先对模组进行建模仿真提取S参数，再建立从模组到电池包的模型。相比来说，后一种方法具有更高的仿真效率和更低的资源消耗。除此之外，目前流行的Cell to Pack的设计思路则将电芯以阵列的方式直接装进电池包内，省略了把电芯组装成模组这一步。本文中，即以 “刀片电池”结构为基本建模对象，首先分析电芯阻抗特性。

对于电芯的建模，由于电芯本身是一个复杂的物理、化学体系，从电化学阻抗谱（EIS）我们可以看到电池阻抗随频率变化的过程和其主要影响因素。

针对高压系统的EMC性能分析，电池阻抗在150kHz-30MHz主要受到集肤效应影响呈现感性，因此在电路模型中可以使用等效电路模拟电芯。

此外，电池的阻抗特性也受到温度、电池荷电状态、寿命等因素影响，但对于整个电池包的阻抗仿真，则基于某一状态下的电芯，分析包括电池结构、高压母线、屏蔽结构等在内的整体阻抗性能。

如下图所示，首先建立单电芯的仿真模型。

仿真得到单电芯阻抗特性Z11。工程中可以导入测试所得S参数，或通过电路拟合逼近测试结果。由于本例中没有实际测试输入，作为举例本文中简单调整电路获得拟合后Z11_1。

验证单电芯模型之后，我们可以建立完整电池包模型，如下图。

由此获得整体电池包阻抗，如下。

实际工程中，我们可以将仿真得到的整体电池包阻抗结果与测试结果进行对比，评估和优化电池包整体模型。

动力电池高低压耦合衰减仿真

动力电池的电池管理系统包含大量低压线束，在电池包模型基础上建立低压电缆模型，可以仿真高低压耦合情况，评估低压线所受干扰风险。

根据GB/T 18655中HV-耦合衰减测量方法，分别在高压线和低压线端设置端口，仿真高压正线、高压负线与低压线端口间的S参数，通过计算获得耦合衰减，结果如下。

传导电流仿真

动力电池的阻抗仿真之后，可以进一步用于评估整个高压系统的辐射发射和传导发射水平，例如CST电动汽车EMC仿真（六）——解锁GB/T18387整车RE仿真的密码（中）中展示了两种电池包对整车RE的影响，CST电动汽车EMC仿真（七）——解锁GB/T18387整车RE仿真的密码（下）中介绍了了电池包上方磁场分布的仿真。那么，除了仿真外部的电场和磁场，我们也可以非常容易地在高压线和屏蔽层上设置探针，了解高压系统内部电流传导情况。如下图所示，使用仿真动力电池得到的touchstone文件建立电路模型，对比是否包含动力电池阻抗两种情况下高压线和屏蔽层的电流。

如下图所示为高压正和其屏蔽层的电流对比结果。

从结果可以看出，两组电流有显著差异，那么电流对外辐射所产生的电场和磁场也会受到阻抗影响。因此，在整车EMC仿真建模时电池阻抗不能被忽略。

小结：本文中我们介绍了动力电池包阻抗分析的方法和思路，并简单举例了动力电池阻抗分析的两种应用场景。实际上由于电动汽车电磁兼容性的复杂性，动力电池作为高压系统的重要组成部分，除针对动力电池本身的仿真外，其阻抗分析结果可被用于仿真其它部件所产生的干扰和车内外电磁环境分析的模型中，也可以用于整车环境下的人体SAR仿真（实际上乘客和驾驶员坐在整个电池包的上方位置），对于SAR仿真感兴趣可关注CST SAR仿真系列。