一种虚拟仿真教学系统的设计与应用*

赵理 郝会欣 石香云

（1.北京信息科技大学机电工程学院；2.河北中医学院）

一、引言

“新能源汽车动力电池技术”是高校车辆工程专业一门重要的专业课程，其教学范围涵盖动力电池组成结构、状态监测、剩余电量评估、均衡、建模仿真及管理系统开发等多项内容。调查发现，很多高校存在动力电池类试验设备少、教师缺乏试验经验、实验课时少且多为演示性实验、学生参与度不高等问题。动力电池实验具有实验周期长、危险性高等特点，导致理论与实践教学难以有效衔接、学生工程实践能力培养缓慢等现象广泛存在。随着计算机技术的发展，推进信息技术与高校实验教学深度融合、建设基于虚拟仿真技术的共享优质教学实验资源、提高高校学生综合实践能力正成为高校实验教育信息化的工作重点。

二、典型动力电池实验的设备、操作及过程

（一）实验设备

当前，动力电池充放电测试设备主要分为两类：一类是单体充放电设备，主要完成单体充放电工作模式的选择、工作循环结束条件的设置、工步编程、过压及欠压设置，以后实验过程中电压、电流、容量、能量、功率等参数变化过程的记录。例如NBT、索英等；另一类是电池组充放电设备，主要完成与电池管理系统通信、电池组整体电压电流安全设置以及电池组整体电压、电流、温度、容量、能量、功率等参数变化过程的监测、控制、记录等功能。例如Bitrode、群菱等。

（二）电池性能衰退机理及充放电实验过程描述

动力电池管理系统(BMS)是通过对电池状态参数的监测、估计、预测来管理或控制动力电池的充放电过程。当前的动力电池类课程实验主要包含充放电过程演示、性能衰退规律验证、不同工况对电池充放电性能参数影响、状态估计及均衡、电池安全及失效控制等实验。事实上，如图1所示，随着电池内部材料结构性能的改变及外部使用条件的不同，电池真实的充放电过程及其外部可测量参数的演化规律是很难通过确定的理论模型或参数方程来刻画的。

图1 锂电池长期演化过程

当前，工程上常用安时积分法、开路电压法、内阻法、等效电路模型等方法来对电池性能参数、充放电及衰退过程进行表达。然而，电池的运行及老化过程是一个渐变、复杂、连续的非线性过程，使用电池外部测量参数及在较短时间内构建的显性理论模型对电池外在的充放电行为进行刻画，很难得到电池在不同实验环境及设置下的精确解。因此，常规基于常微分方程构建动力电池虚拟仿真系统的技术路线很难实现。

三、基于随机森林的动力电池虚拟仿真系统设计

（一）实验数据集

本实验使用丰田研究所提供的动力电池工况循环开放式数据集，实验由124个在快速充电条件下循环到失效的商用锂离子电池组成。电池单体是A123生产的锂离子磷酸盐(LFP)/石墨电池，实验设备为48通道Arbin LBT，强制对流温度30℃，电池标称容量1.1Ah，标称电压3.3V。

数据集中单体使用一步或两步充电策略，格式为“C1(Q1)-C2”，其中 C1和 C2分别为恒流第1和第2步充电倍率，Q1为步骤切换时的荷电状态(SOC)。第2个电流步骤结束在80%SOC，之后电池以恒压方式充电，上、下截止电位分别为3.6 V、2.0 V。数据集分三个批次，每批大约48个单体，将T型热电偶与热环氧树脂和胶带连接到暴露的电池上，剥离小部分塑料绝缘后测量温度（表1）。

表1 训练数据集

（二）基于随机森林的动力电池虚拟仿真系统设计

动力电池充放电实验过程仿真受实验参数多、工况复杂、过程具有非线性等因素制约，很难基于常微分方程构建动力电池虚拟仿真系统。而随机森林算法具有处理数据维度高、泛化能力强等特点，很适合用来构造具有复杂非线性特点的虚拟仿真实验系统。系统设计过程中，将1阶段充电倍率、SOC上限、2阶段充电倍率、环境温度、循环次数、充电电量或放电电量作为随机森林输入，将电压随时间变化作为仿真系统输出，构造虚拟仿真实验系统。具体步骤如下：

Step1：将真实重放电数据集作为训练样本，将C1、C2、Q1、Cd、Qc、cycle、T作为输入，将V、IR作为响应，训练随机森林，构造充电过程仿真模型；

Step2：将 C1、C2、Q1、Cd、Qd、cycle、T作为输入，将V、IR作为响应，构造放电过程仿真模型；

Step3：用户提出实验方案，系统根据用户输入选择、设置充、放电或其组合模型，利用模型输出动态仿真过程中电压、电流随时间变化曲线，完成输出。

（三）案例教学应用

基于该虚拟仿真系统开展的动力电池系统仿真实验与传统动力电池充放电实验相比，学生参与了整个实验方案的设计过程、模型的构造过程，专业知识得到了巩固、主观能动性得到了发挥。仿真实验教学过程中，需要学生在充分掌握动力电池性能指标含义后，针对具体的充放电循环开展电池性能衰退规律分析、充放电过程中影响因素分析、电池SOCSOH预测分析等实验过程分析。由于涉及知识面广，既包括基础理论分析，也包括仿真模拟，因此采用分组模式。组员分工明确，相互配合，共同完成虚拟仿真实验。

四、动力电池虚拟仿真系统案例教学实践

下面以库伦效率验证实验为例，介绍动力电池虚拟仿真实验教学过程。

（一）动力电池库伦效率验证实验案例设计

1.控制参数设计

通过动力电池充放电实验计算某动力电池在不同工况下的库伦效率时，根据实验要求完成以下几个实验步骤的设置：①选择单体实验通道：由于虚拟仿真实验中不同用户的实验请求被分配到不同实验通道上隔离运行，因此，在实验前要选择合适的通道，设置不同通道的通信参数；②设置充放电控制参数：使用不同充电策略进行电池实验时，要将该充电模式转换为系统能理解的控制参数，利用参数来控制不同的充放电模式和过程；③设计工步循环：在对复杂连续的充放电过程进行设计时，要利用系统提供的工步操作、结束条件、循环控制变量来设计充放电实验过程。

设置案例见图2。

图2 动力电池充放电实验设计

工步1：变量“循环1”清零，搁置 10S，执行下一步；工步2：以10A电流对电池进行恒流充电1小时，限制电压4.2V，变量“循环1”+1，执行下一步； 工步3：恒压4.2V充电到电流小于≦0.1A，执行下一步；工步4：搁置5分钟，执行下一步；工步5：20A恒流放电到电压≦2.75V，执行下一步；工步6：搁置10分钟，对变量“循环2”清零，执行下一步；工步7：5A恒流充电2个小时，限制电压4.2V，变量“循环2”+1，执行下一步；工步8：恒压4.2V充电到电流小于≦0.1A，执行下一步；工步9：搁置5分钟，执行下一步；工步10：5A恒流放电到电压≦2.75V，执行下一步；工步11：搁置10分钟，执行下一步；工步12：判断变量“循环2”，如果≦10则转到工步7，否则执行工步13； 工步13：搁置5分钟，执行下一步；工步14：判断变量“循环1”，如果≦100跳转工步2，否则停止通道。

2.实验过程展示

动力电池充放电实验过程通过充放电曲线直接展示给实验者。横坐标一般设置为时间，单位：秒。其值可由随机森林的输入变量Qc、Qd与充放电倍率经计算获得。纵坐标为随机森林的预测输出值，一般是电压、电流或内阻。为了直观反映控制工步的具体设置，输出面板还展示出当前控制命令的记录号、累计积累时间、当前电压、电流、容量、能量、功率、阻抗等指标值，如图3所示。

图3 动力电池CC-CV充电过程仿真

3.实验结果分析

本次实验案例中，实验设计的目的是通过测试多次、不同工况下动力电池的输出电量来计算不同条件下电池的库伦效率。因此，实验设计阶段，设计了多组不同放电/充电电流、不同环境温度、不同SOC工况下的充放电实验，来获取充电/放电容量。最后，通过与标准工况下容量比较来计算库伦效率。

计算过程如下：

（1）库仑效率(η)：令Id表示放电电流,Ic表示充电电流, td表示放电时间, tc表示充电时间, 那么，被测电池的库仑效率η可用下式计算：

（2）库仑效率(ηc,In)：将待测电池以C/3速率放电至截止电压，接着以特定电流In充电至SOC=1，其充电容量为Qc,In=In·tc,In, 其中,tc,In表示充电时间, 其放电容量 为Qd,C/3=(C/3)td,C/3，其中,td,In 表示放电时间,那么，被测电池的充电库仑效率ηc,In可用下式计算：

（3）库仑效率(ηd,In):将待测电池以In速率放电至截止电压，接着以C/3速率充电至SOC=1，其充电容量为Qc,C/3=(C/3)·tc, C/3,其中,tc,C/3表示充电时间,静置10分钟,接着以In速率放电至截止电压。其放电容量为Qd,In=( In)td,In，其中, td,In表示放电时间,那么,被测电池的放电库仑效率ηd,In可用下式计算：

（二）案例教学实施效果

“新能源汽车动力电池技术”课程授课过程中，学生在完成电池组成、结构、状态监测、测试等授课内容的学习后，2人一组开展仿真实验，包括模型搭建、充放电实验设计、结果分析与实验报告撰写等环节。学生全程参与了充放电的方式选择、控制参数设置、工步设计、过程分析、结果展示等工作。在虚拟仿真模型构建过程中，学生可以直观理解不同充放电策略对电池性能衰退及充放电行为的影响；在系统充放电过程仿真环节，学生通过对电池外部监测变量的持续监测与跟踪，可以进行电池容量、SOC、SOH等基本概念、基本公式的计算与验证；在实验结果分析环节，学生可以完成不同工况环境下库伦效率的测定、剩余容量的估算等实验内容。

通过动力电池虚拟仿真实验，达到了如下教学效果：

（1）强化了对基础理论知识的掌握，建立了知识点与工程实际问题之间的联系，锻炼了学生运用理论知识解决复杂工程问题的能力；（2）使学生掌握了利用充放电仿真软件开展动力电池系统设计和性能仿真的方法，提高了科研创新能力；（3）动力电池仿真模型是学生自主搭建的，激发了学生的自主思考和动手的能力；（4）通过教学活动中的团队合作，提高了学生的团队意识。

五、结论

针对当前动力电池实验过程中存在的实验成本高、周期长、危险性大、实验设备少、学生自主性差等问题，结合专业课程实验的实际，提出了基于随机森林的动力电池虚拟仿真系统设计和教学应用方法。实践结果表明，建立的动力电池虚拟仿真系统能有效克服当前真实实验环节存在的问题，保证了实践教学环节的安全性和便捷性。