论文复现：锂电池充放电模型的 Matlab Simulink 仿真实现

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论文复现：基于Matlab/Simulink的锂电池双向充放电模型仿真

本文介绍了如何在Matlab/Simulink环境中实现锂电池的充放电模型，完整复现了参考论文《充电机后级DC/DC变换器的充电控制方法与均流控制策略研究》中的核心内容。该模型支持双向能量流动，涵盖恒流（CC）与恒压（CV）两种典型充电模式，并具备良好的电压电流追踪能力。

系统总体设计思路

锂电池的充放电过程通常分为多个阶段。在充电初期，采用恒流（CC）模式，保持电流恒定，电池电压随时间逐渐上升；当电压达到预设阈值时，切换至恒压（CV）模式，维持电压不变，电流则逐步衰减。放电过程可视为反向操作。本模型通过Simulink平台构建完整的电气回路与控制逻辑，以准确模拟这一动态行为。

Simulink建模关键模块

1. 电源与负载配置

在模型中，使用Simulink中的直流电源（DC Source）作为充电输入源，并设定合适的输出电压。负载部分则通过电阻（Resistor）模块实现，用于模拟外部用电设备。通过调节电阻阻值，可以灵活改变负载大小，从而测试不同工况下的系统响应特性。

2. 双向DC/DC变换器结构

实现能量双向传输的核心是双向DC/DC变换器。本模型基于Simscape Electrical库搭建了一个双向Buck-Boost拓扑结构，能够根据工作模式自动切换能量流向。

以下为构建基本模型框架的MATLAB脚本示例（仅用于示意模块连接关系，非完整可运行代码）：

% 创建一个新的 Simulink 模型
model_name = 'bidirectional_dcdc';
new_system(model_name);

% 添加电源模块
power_source = add_block('simscape/Sources/DC Voltage Source', [model_name '/DC Source']);
set_param(power_source, 'Voltage', '12'); % 设置电源电压为12V

% 添加双向 Buck - Boost 变换器模块（假设使用自定义子系统封装实现）
buck_boost = add_block('simulink/Power Systems Library/Buck - Boost Converter', [model_name '/Bidirectional Buck - Boost']);

% 添加负载电阻模块
load_resistor = add_block('simscape/Electrical Elements/Resistor', [model_name '/Resistor']);
set_param(load_resistor, 'Resistance', '10'); % 设置电阻为10欧姆

% 连接模块
add_line(model_name, 'DC Source+/Bidirectional Buck - Boost/In+');
add_line(model_name, 'DC Source-/Bidirectional Buck - Boost/In-');
add_line(model_name, 'Bidirectional Buck - Boost/Out+/Resistor/+/1');
add_line(model_name, 'Bidirectional Buck - Boost/Out-/Resistor/-/1');

该脚本初始化了一个包含电源、双向变换器和负载电阻的基本Simulink模型，并完成各组件之间的信号与电气连接。实际应用中需配合复杂的控制算法来实现模式切换与稳定运行。

3. 控制策略实现

恒流（CC）控制机制

在恒流模式下，系统采集回路电流并与目标值进行比较，形成误差信号。该误差送入PI控制器，其输出用于调节变换器的PWM占空比，从而实现对电流的闭环控制。

PI控制器的简化实现如下（以MATLAB函数形式表示）：

function output = pi_controller(error, kp, ki, dt)
    persistent integral;
    if isempty(integral)
        integral = 0;
    end
    p_term = kp * error;
    integral = integral + error * dt;
    i_term = ki * integral;
    output = p_term + i_term;
    % 限制输出范围，防止饱和
    output = max(min(output, 1), 0); 
end

其中：

• kp

  表示比例增益系数

• ki

  为积分增益系数

• dt

  是系统采样周期

• error

  代表设定电流与实测电流之间的偏差

控制器依据该偏差实时调整输出，确保电流快速且平稳地跟踪设定值。

恒压（CV）控制机制

恒压控制原理与恒流类似，区别在于反馈量由电流替换为电池端电压。将检测到的电压与目标恒压值做差，误差输入相同的PI控制器结构，输出用于调节占空比，使电压稳定在设定水平。

4. 锂电池本体建模

为提高仿真精度，采用Simscape Battery库中的锂电池模块构建电池模型。该模型能反映电池内部特性，如内阻变化、开路电压随荷电状态（SOC）的非线性关系等。将双向变换器的输出端连接至电池端口，即可实现电能的双向传递与状态更新。

仿真运行与结果分析

完成模型搭建后，设置合理的仿真参数（如仿真时长、求解器类型及步长），启动仿真过程。重点关注电池电压、充放电电流以及变换器PWM占空比的变化趋势。

从仿真波形可以看出：在充电初始阶段，系统工作于恒流模式，电流迅速稳定在设定值；随着电池电压上升并达到阈值，自动转入恒压模式，此时电压保持恒定，电流呈指数下降趋势，完全符合锂电池的标准充电曲线。放电过程同样表现出良好的控制性能，验证了双向功能的有效性。

此外，变换器对设定电压与电流的追踪效果良好，动态响应快，稳态误差小，表明所设计的控制策略具有较高的可靠性与实用性。

总结

本文成功在Matlab/Simulink中构建并仿真了具备双向充放电能力的锂电池模型，完整实现了恒流与恒压双模式切换控制，复现了目标论文的核心技术路线。该模型不仅可用于深入理解锂电池的工作机制，也为后续研究DC/DC变换器控制策略提供了可靠的仿真平台。

整个建模过程展示了如何结合物理建模与控制算法，在仿真环境中还原真实电力电子系统的运行特性。希望本文内容能为从事相关领域研究的技术人员提供有价值的参考。

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关键词：simulink MATLAB matla atlab link

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