Systèmes de batterieMobilité

Pack de batterie de véhicule électrique

Un pack de batterie de véhicule électrique comme modèle multi-domaines unique — cellules à circuit équivalent, réseau thermique couplé, contrôleur de charge CC-CV et équilibreur actif, composés cellule → module → pack et exécutés de bout en bout.

DjiniousLabModélisation et simulation

Un module d’équilibrage à 4 cellules sur le canevas DjiniousLab — quatre cellules à circuit équivalent partant d’états de charge différents, câblées via un équilibreur actif à transfert de charge vers des oscilloscopes d’état de charge par cellule

≈345 V · pack de 3,5 kWh: 96S2P≈345 V · pack de 3,5 kWh
domaines couplés: 3domaines couplés
notebooks de conception: 11notebooks de conception
compositions .djl: 3compositions .djl
Erreur d’état de charge EKF: 0.07%Erreur d’état de charge EKF
charge rapide à 80 %: 3,1Ccharge rapide à 80 %

Un pack de batterie de véhicule électrique, modélisé là où les disciplines se rencontrent.

L’électrochimie des cellules, la thermique du pack et le système de gestion de batterie (BMS) ne vivent pas dans des outils séparés ici. Un pack NMC 96S2P est construit comme une seule composition — des cellules à circuit équivalent couplées à un réseau thermique, enveloppées dans un chargeur CC-CV en boucle fermée et un équilibreur actif — et résolu ensemble, électrique, thermique et commande dans une seule élaboration.

Un pack, composé à partir d’une seule cellule.

Une seule cellule à circuit équivalent est l’atome ; le module et le pack en sont des compositions. Chaque niveau est son propre modèle exécutable, et ils partagent une seule définition de cellule.

Cellule à circuit équivalent

Une cellule de Thevenin à 1 RC — résistance série, une paire de polarisation RC, une courbe OCV(z) non linéaire et un état de charge par comptage coulombique — écrite une fois et réutilisée à chaque niveau.

Nœud thermique

Les pertes ohmiques et de polarisation se transforment en chaleur qui alimente une masse thermique localisée avec une fuite convective vers l’ambiance. La température est un état à part entière, pas une réflexion après coup.

Commande de charge BMS

Une loi de commande proportionnelle saturée lit la tension du pack et commande un courant de charge — reproduisant l’enveloppe manuel courant constant → tension constante sans aucun événement de commutation de mode.

Équilibreur actif

Un équilibreur à transfert de charge déplace la charge entre cellules déséquilibrées vers la moyenne du module — conservant la charge totale tandis que l’écart se résorbe en quelques minutes.

Estimation d’état

Un filtre de Kalman étendu fusionne une tension bruitée et un courant biaisé pour suivre l’état de charge en direct, là où un simple compteur coulombique dériverait.

Enveloppe de sécurité

Une limitation en surtempérature avec hystérésis réduit le courant de charge pour maintenir la cellule la plus chaude à son plafond — le BMS protégeant le pack, dans la boucle.

Un module d’équilibrage actif à 4 cellules sur le canevas DjiniousLab : quatre blocs BalCell à des états de charge de 1,00 / 0,92 / 0,85 / 0,80 câblés via un bloc Balancer4 vers quatre oscilloscopes d’état de charge par cellule — Le module d’équilibrage comme composition sur le canevas — quatre cellules partant avec 20 % d’écart, un équilibreur actif à transfert de charge, et un oscilloscope par cellule. Exécutez-le et l’écart se résorbe de 20 % à moins de 0,5 % en vingt minutes tandis que l’état de charge moyen reste stable ; l’alternative par dissipation prendrait environ dix heures.

Électrique, thermique et commande, résolus ensemble.

Le réseau électrique acausal, le trajet thermique par cellule et la boucle de commande en domaine signal sont élaborés en un seul système différentiel-algébrique qu’un solveur raide Rodas5P intègre dans son ensemble — sans transfert de co-simulation, sans pas de temps manuel entre outils. Une décharge à 1C de la cellule fait passer l’état de charge de plein à 16,7 %, affaisse la tension aux bornes de 4,10 V à 3,21 V, et élève la température de la cellule d’environ 1,4 °C, le tout à partir des mêmes équations couplées. Le même modèle s’exporte comme unité de co-simulation FMI 2.0 pour Simulink, dSPACE et d’autres hôtes FMI.

Un notebook DjiniousLab traçant |dOCV/dz| en fonction de l’état de charge pour une cellule NMC et une cellule LFP — la courbe NMC culmine fortement, la courbe LFP reste basse et plate — Pourquoi la chimie détermine l’observabilité. La pente de la tension en circuit ouvert par rapport à l’état de charge détermine à quel point une erreur d’état de charge se répercute dans une lecture de tension — le plateau plat, célèbre, du LFP est le casse-tête classique de l’estimation, et le modèle le rend visible avant même de s’engager sur une chimie.

Un EKF qui tient là où un compteur dérive.

Exécutez le pack sur un profil mixte de charge/décharge avec un voltmètre bruité et un ampèremètre biaisé. Un simple compteur coulombique — la référence bon marché — dérive jusqu’à environ 5 % d’erreur d’état de charge. Le filtre de Kalman étendu sur l’état [état de charge, polarisation] de la cellule se corrige à partir du résidu de tension et termine à moins de 0,07 % de la vérité, se maintenant sous environ 0,7 % après les premières minutes — confortablement dans un budget de précision de 2 %.

Un graphique de notebook montrant l’état de charge réel comparé à une estimation par compteur coulombique dérivant et à une estimation EKF suivant la vérité sur un profil mixte de charge/décharge — État de charge réel (trait plein) comparé au compteur coulombique dérivant (pointillés) comparé à l’estimation EKF — même mauvaise estimation initiale et même biais de courant, mais le filtre converge et suit tandis que le compteur en boucle ouverte accumule l’erreur.

L’enveloppe CC-CV, à partir d’une seule loi de commande.

Le contrôleur de charge commande un courant proportionnel à l’écart entre la tension du pack et le point de consigne CV, plafonné à un maximum. Loin du point de consigne, il sature — c’est la phase à courant constant ; à mesure que le pack se remplit, la commande sort de saturation et diminue progressivement — c’est la tension constante. Balayer la limite de courant par rapport à la température de pointe révèle le point de coude : environ 3,1C atteint 80 % d’état de charge en 25 minutes tout en restant dans la limite thermique.

Un graphique de notebook du profil de charge rapide recommandé — la tension du pack montant vers le point de consigne tandis que le courant de charge diminue progressivement — annoté 80 % d’état de charge à 25,1 minutes — La charge rapide recommandée : la tension du pack grimpe tandis que le courant reste à sa limite, puis diminue progressivement à mesure que la phase à tension constante prend le relais — 80 % d’état de charge en 25,1 minutes, vérifié par rapport à l’exigence de ≤ 45 minutes.

Les détails qui déterminent l’exactitude.

Convention de signe charge-positive

Le courant aux bornes est défini positif entrant par la borne +, de sorte qu’un courant positif charge. Une charge en décharge force +I dans sa propre borne et la loi de Kirchhoff fait que la cellule voit −I — inverser cela et le pack se charge silencieusement au lieu de se décharger.

Trajet thermique causal

Le moteur du canevas rejette un composant unique qui relierait deux domaines acausaux, si bien que la cellule ne peut pas porter à la fois un port électrique et un port thermique acausal. La chaleur est émise comme un signal et intégrée par un bloc thermique à la place — la même physique, un modèle qui compile réellement.

La boucle algébrique du BMS

Le courant de charge apparaît dans la tension mesurée du pack via la chute ohmique, refermant une boucle algébrique. La loi proportionnelle saturée la maintient bien posée, et le solveur la résout à chaque pas — confirmé par une vérification croisée analytique CC → CV.

Équilibrage conservant la charge

Chaque cellule échange un courant proportionnel à son écart par rapport à la moyenne du module. Les corrections se somment à zéro, si bien que l’état de charge moyen est préservé exactement tandis que l’écart décroît — un transfert actif, pas une combustion dissipative.

Chaque affirmation est un chiffre que vous pouvez réexécuter.

Les notebooks et les études .djl sont subordonnés à des résultats vérifiés sur worker en direct, avec la physique validée par croisement via une intégration indépendante des mêmes équations.

Résultat

Erreur d’état de charge EKF : 0,07 %
Écart d’équilibrage actif (20 min) : 0,3 %
Charge rapide à 80 % d’état de charge : 25,1 min
Durée de vie en cycles à 80 % à 25 °C : 781 cycles
Récupération par régénération sur cycle de conduite : 28 %

Cible

Erreur d’état de charge EKF : ≤ 2 %
Écart d’équilibrage actif (20 min) : depuis 20 %
Charge rapide à 80 % d’état de charge : ≤ 45 min
Durée de vie en cycles à 80 % à 25 °C : ≥ 500
Récupération par régénération sur cycle de conduite : —

Du modèle textuel au jumeau de conception.

La cellule, le module et le pack sont du DJL pur texte. L’analyseur les abaisse vers une représentation intermédiaire plate, puis vers un système symbolique ModelingToolkit que le worker Julia intègre — en diffusant des oscilloscopes en direct dans le navigateur — et les circuits du catalogue s’exportent comme unités FMI fonctionnelles. Onze notebooks portent le récit d’ingénierie de bout en bout : caractérisation OCV, identification du circuit équivalent, réponse thermique au régime C, estimation d’état de charge, équilibrage, commande BMS, arbitrages de charge rapide, vieillissement en cycle et calendaire, et un cycle de conduite complet — un jumeau d’itération de conception que vous exercez bien avant qu’une cellule ne soit jamais assemblée.

Fidélité de niveau conception, à circuit équivalent.

La cellule est un substitut à circuit équivalent, pas un modèle électrochimique (Newman P2D / à particule unique) — elle capture la tension, l’état de charge et la chaleur localisée, pas les gradients de concentration, le dépôt métallique ou une chimie de dégradation détaillée. L’OCV est une courbe analytique lisse dans l’atome .djl et les formes réalistes NMC/LFP vivent dans les notebooks ; le vieillissement est empirique (lois d’Arrhenius sur le débit et calendaires). Ce à quoi cela sert est exactement ce dont la conception d’un pack et d’un BMS a besoin en premier : dimensionner les nombres série/parallèle, choisir le budget thermique, ajuster la stratégie de charge et d’équilibrage, et arbitrer la vitesse de charge rapide contre la chaleur — sur vos propres chiffres de cellule, en quelques minutes, avant qu’aucun matériel n’existe.