CST電動汽車EMC仿真（八）- 動力電池阻抗分析和高低壓耦合仿真
作者 | Wang Yuanteng
之前我們有一系列文章介紹了電動汽車EMC仿真的方法，作為高壓系統中的重要部件，研究動力電池的阻抗特性對于高壓系統的EMC性能分析非常關鍵。在高壓電池內部，控制高壓和低壓耦合有利于減小低壓線的受擾風險，GB/T 18655中規定了高低壓耦合衰減要求。對于整個高壓系統來說，動力電池阻抗直接影響來自高壓干擾源（如逆變器）的傳導騷擾的傳播；高壓回路產生的磁場也有可能會干擾到一些磁敏感設備或傳感器；在低頻段，時變的牽引電流產生的磁場對于人體安全，尤其是植入和可穿戴的醫療設備的影響也同樣值得關注。
本期我們將主要介紹仿真動力電池阻抗特性的方法和應用舉例。
傳統的電池包內部結構，是由多個電芯構成電池模組，然后將模組通過螺栓固定在擁有橫梁和縱梁的外殼上，如此重復，多個電池模組最后組成電池包。那么，實際建模仿真就可能包括電芯模型、模組模型和電池包模型，我們可以采取全三維模型建模仿真方法，即建立每一個模組內部的電芯模型再到完整的電池包模型；也可以采取混合方法，首先對模組進行建模仿真提取S參數，再建立從模組到電池包的模型。相比來說，后一種方法具有更高的仿真效率和更低的資源消耗。除此之外，目前流行的Cell
to Pack的設計思路則將電芯以陣列的方式直接裝進電池包內，省略了把電芯組裝成模組這一步。本文中，即以 “刀片電池”結構為基本建模對象，首先分析電芯阻抗特性。
對于電芯的建模，由于電芯本身是一個復雜的物理、化學體系，從電化學阻抗譜（EIS）我們可以看到電池阻抗隨頻率變化的過程和其主要影響因素。
針對高壓系統的EMC性能分析，電池阻抗在150kHz-30MHz主要受到集膚效應影響呈現感性，因此在電路模型中可以使用等效電路模擬電芯。
此外，電池的阻抗特性也受到溫度、電池荷電狀態、壽命等因素影響，但對于整個電池包的阻抗仿真，則基于某一狀態下的電芯，分析包括電池結構、高壓母線、屏蔽結構等在內的整體阻抗性能。
如下圖所示，首先建立單電芯的仿真模型。
仿真得到單電芯阻抗特性Z11。工程中可以導入測試所得S參數，或通過電路擬合逼近測試結果。由于本例中沒有實際測試輸入，作為舉例本文中簡單調整電路獲得擬合后Z11_1。
驗證單電芯模型之后，我們可以建立完整電池包模型，如下圖。
由此獲得整體電池包阻抗，如下。
實際工程中，我們可以將仿真得到的整體電池包阻抗結果與測試結果進行對比，評估和優化電池包整體模型。
動力電池高低壓耦合衰減仿真
根據GB/T
18655中HV-耦合衰減測量方法，分別在高壓線和低壓線端設置端口，仿真高壓正線、高壓負線與低壓線端口間的S參數，通過計算獲得耦合衰減，結果如下。
傳導電流仿真
動力電池的阻抗仿真之后，可以進一步用于評估整個高壓系統的輻射發射和傳導發射水平，例如CST電動汽車EMC仿真（六）——解鎖GB/T18387整車RE仿真的密碼（中）中展示了兩種電池包對整車RE的影響，CST電動汽車EMC仿真（七）——解鎖GB/T18387整車RE仿真的密碼（下）中介紹了了電池包上方磁場分布的仿真。那么，除了仿真外部的電場和磁場，我們也可以非常容易地在高壓線和屏蔽層上設置探針，了解高壓系統內部電流傳導情況。如下圖所示，使用仿真動力電池得到的touchstone文件建立電路模型，對比是否包含動力電池阻抗兩種情況下高壓線和屏蔽層的電流。
如下圖所示為高壓正和其屏蔽層的電流對比結果。
從結果可以看出，兩組電流有顯著差異，那么電流對外輻射所產生的電場和磁場也會受到阻抗影響。因此，在整車EMC仿真建模時電池阻抗不能被忽略。
小結：本文中我們介紹了動力電池包阻抗分析的方法和思路，并簡單舉例了動力電池阻抗分析的兩種應用場景。實際上由于電動汽車電磁兼容性的復雜性，動力電池作為高壓系統的重要組成部分，除針對動力電池本身的仿真外，其阻抗分析結果可被用于仿真其它部件所產生的干擾和車內外電磁環境分析的模型中，也可以用于整車環境下的人體SAR仿真（實際上乘客和駕駛員坐在整個電池包的上方位置），對于SAR仿真感興趣可關注CST SAR仿真系列。
