一種虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

趙理 郝會(huì)欣 石香云

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

一、引言

“新能源汽車動(dòng)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(dòng)力電池組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、剩余電量評(píng)估、均衡、建模仿真及管理系統(tǒng)開發(fā)等多項(xiàng)內(nèi)容。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多高校存在動(dòng)力電池類試驗(yàn)設(shè)備少、教師缺乏試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)課時(shí)少且多為演示性實(shí)驗(yàn)、學(xué)生參與度不高等問題。動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)，導(dǎo)致理論與實(shí)踐教學(xué)難以有效銜接、學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)緩慢等現(xiàn)象廣泛存在。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)信息技術(shù)與高校實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)資源、提高高校學(xué)生綜合實(shí)踐能力正成為高校實(shí)驗(yàn)教育信息化的工作重點(diǎn)。

二、典型動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)的設(shè)備、操作及過程

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

當(dāng)前，動(dòng)力電池充放電測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)、控制、記錄等功能。例如Bitrode、群菱等。

（二）電池性能衰退機(jī)理及充放電實(shí)驗(yàn)過程描述

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS)是通過對(duì)電池狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、估計(jì)、預(yù)測(cè)來管理或控制動(dòng)力電池的充放電過程。當(dāng)前的動(dòng)力電池類課程實(shí)驗(yàn)主要包含充放電過程演示、性能衰退規(guī)律驗(yàn)證、不同工況對(duì)電池充放電性能參數(shù)影響、狀態(tài)估計(jì)及均衡、電池安全及失效控制等實(shí)驗(yàn)。事實(shí)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(shí)的充放電過程及其外部可測(cè)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(zhǎng)期演化過程

當(dāng)前，工程上常用安時(shí)積分法、開路電壓法、內(nèi)阻法、等效電路模型等方法來對(duì)電池性能參數(shù)、充放電及衰退過程進(jìn)行表達(dá)。然而，電池的運(yùn)行及老化過程是一個(gè)漸變、復(fù)雜、連續(xù)的非線性過程，使用電池外部測(cè)量參數(shù)及在較短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建的顯性理論模型對(duì)電池外在的充放電行為進(jìn)行刻畫，很難得到電池在不同實(shí)驗(yàn)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(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線很難實(shí)現(xiàn)。

三、基于隨機(jī)森林的動(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本實(shí)驗(yàn)使用豐田研究所提供的動(dòng)力電池工況循環(huán)開放式數(shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)由124個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備為48通道Arbin LBT，強(qiáng)制對(duì)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(shí)的荷電狀態(tài)(SOC)。第2個(gè)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(gè)批次，每批大約48個(gè)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(cè)量溫度（表1）。

表1 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集

（二）基于隨機(jī)森林的動(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)過程仿真受實(shí)驗(yàn)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(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)。而隨機(jī)森林算法具有處理數(shù)據(jù)維度高、泛化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，很適合用來構(gòu)造具有復(fù)雜非線性特點(diǎn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)森林輸入，將電壓隨時(shí)間變化作為仿真系統(tǒng)輸出，構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。具體步驟如下：

Step1：將真實(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)仿真過程中電壓、電流隨時(shí)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(dòng)力電池系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生參與了整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程、模型的構(gòu)造過程，專業(yè)知識(shí)得到了鞏固、主觀能動(dòng)性得到了發(fā)揮。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，需要學(xué)生在充分掌握動(dòng)力電池性能指標(biāo)含義后，針對(duì)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(cè)分析等實(shí)驗(yàn)過程分析。由于涉及知識(shí)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(shí)驗(yàn)。

四、動(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)案例教學(xué)實(shí)踐

下面以庫倫效率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例，介紹動(dòng)力電池虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

（一）動(dòng)力電池庫倫效率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

1.控制參數(shù)設(shè)計(jì)

通過動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)計(jì)算某動(dòng)力電池在不同工況下的庫倫效率時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)置：①選擇單體實(shí)驗(yàn)通道：由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中不同用戶的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求被分配到不同實(shí)驗(yàn)通道上隔離運(yùn)行，因此，在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行電池實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jì)工步循環(huán)：在對(duì)復(fù)雜連續(xù)的充放電過程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)充放電實(shí)驗(yàn)過程。

設(shè)置案例見圖2。

圖2 動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(duì)電池進(jìn)行恒流充電1小時(shí)，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(duì)變量“循環(huán)2”清零，執(zhí)行下一步；工步7：5A恒流充電2個(gè)小時(shí)，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(shí)驗(yàn)過程展示

動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)過程通過充放電曲線直接展示給實(shí)驗(yàn)者。橫坐標(biāo)一般設(shè)置為時(shí)間，單位：秒。其值可由隨機(jī)森林的輸入變量Qc、Qd與充放電倍率經(jīng)計(jì)算獲得?？v坐標(biāo)為隨機(jī)森林的預(yù)測(cè)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(hào)、累計(jì)積累時(shí)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(dòng)力電池CC-CV充電過程仿真

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)案例中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是通過測(cè)試多次、不同工況下動(dòng)力電池的輸出電量來計(jì)算不同條件下電池的庫倫效率。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，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(jì)算庫倫效率。

計(jì)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(shí)間, tc表示充電時(shí)間, 那么，被測(cè)電池的庫侖效率η可用下式計(jì)算：

（2）庫侖效率(ηc,In)：將待測(cè)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(shí)間, 其放電容量 為Qd,C/3=(C/3)td,C/3，其中,td,In 表示放電時(shí)間,那么，被測(cè)電池的充電庫侖效率ηc,In可用下式計(jì)算：

（3）庫侖效率(ηd,In):將待測(cè)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(shí)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(shí)間,那么,被測(cè)電池的放電庫侖效率ηd,In可用下式計(jì)算：

（二）案例教學(xué)實(shí)施效果

“新能源汽車動(dòng)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(cè)、測(cè)試等授課內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，2人一組開展仿真實(shí)驗(yàn)，包括模型搭建、充放電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jì)、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(duì)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(duì)電池外部監(jiān)測(cè)變量的持續(xù)監(jiān)測(cè)與跟蹤，可以進(jìn)行電池容量、SOC、SOH等基本概念、基本公式的計(jì)算與驗(yàn)證；在實(shí)驗(yàn)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(cè)定、剩余容量的估算等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

通過動(dòng)力電池虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了如下教學(xué)效果：

（1）強(qiáng)化了對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，建立了知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)際問題之間的聯(lián)系，鍛煉了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)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(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能仿真的方法，提高了科研創(chuàng)新能力；（3）動(dòng)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(dòng)手的能力；（4）通過教學(xué)活動(dòng)中的團(tuán)隊(duì)合作，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

五、結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)過程中存在的實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、學(xué)生自主性差等問題，結(jié)合專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)際，提出了基于隨機(jī)森林的動(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和教學(xué)應(yīng)用方法。實(shí)踐結(jié)果表明，建立的動(dòng)力電池虛擬仿真系統(tǒng)能有效克服當(dāng)前真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的問題，保證了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安全性和便捷性。