《電子技術(shù)應(yīng)用》
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動力電池模擬器的設(shè)計
2017年微型機與應(yīng)用第3期
馬紅雷,司文旭,鄭玉
重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054
摘要: 電動汽車及相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)、測試和研發(fā)過程中,需要用到動力電池;當(dāng)使用動力電池作為測試電源時,存在充電時間長、效率低、污染環(huán)境且成本高等問題。選擇合適的電池模型,使用某一種電池作為測試的試驗平臺,通過測試的實驗數(shù)據(jù)來辨識電池參數(shù)。使用正態(tài)分布和卡方分布的方法,完成由單一單體電池到成千上萬個單體電池的模擬。最后,建立了Simulink仿真模型,仿真結(jié)果表明該設(shè)計能夠模擬多元化電池。在使用電池模擬器作為驅(qū)動電機的測試電源時,省去了動力電池充電的過程,提高了測試電機的測試效率,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染
Abstract:
Key words :

  馬紅雷,司文旭,鄭玉

  (重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

       摘要:電動汽車及相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)、測試和研發(fā)過程中,需要用到動力電池;當(dāng)使用動力電池作為測試電源時,存在充電時間長、效率低、污染環(huán)境且成本高等問題。選擇合適的電池模型,使用某一種電池作為測試的試驗平臺,通過測試的實驗數(shù)據(jù)來辨識電池參數(shù)。使用正態(tài)分布和卡方分布的方法,完成由單一單體電池到成千上萬個單體電池的模擬。最后,建立了Simulink仿真模型,仿真結(jié)果表明該設(shè)計能夠模擬多元化電池。在使用電池模擬器作為驅(qū)動電機的測試電源時,省去了動力電池充電的過程,提高了測試電機的測試效率,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染。

  關(guān)鍵詞參數(shù)辨識;Simulink仿真模型;多元化模擬

  中圖分類號:TM912文獻標(biāo)識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.003

  引用格式:馬紅雷,司文旭,鄭玉.動力電池模擬的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2017,36(3):8-11,15.

0引言

  隨著燃油汽車造成的環(huán)境污染越來越嚴重和世界能源的日益枯竭,純電動汽車的研究開始受到廣泛的關(guān)注和重視。純電動汽車關(guān)鍵動力源是動力鋰離子電池,動力鋰離子電池具有能力密度高、自放電率低和循環(huán)周期長等優(yōu)勢。如果使用動力電池作為測試電池的驅(qū)動電源則有如下缺陷[1]:(1) 由于動力電池的容量大,驅(qū)動電機測試完成之后,需要給動力電池充電,其充電過程需要很長的時間,影響了測試周期的連續(xù)性和完整性;(2)由于動力電池制造工藝上的特殊性,反復(fù)地充電和放電使電池的使用壽命縮短并且內(nèi)阻增大,影響了測試驅(qū)動電機的試驗條件;(3)如果進行特殊試驗,如進行緊急制動測試,實驗過程中產(chǎn)生的尖峰電流會使電池特性惡化,使用壽命大大縮短,影響了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過上述幾點可以分析出動力電池直接作為測試電源是不合理的。本文設(shè)計出一種電池模擬器,能夠模擬電池的充電和放電特性。使用電池模擬器作為驅(qū)動電機的測試電源時,省去了動力電池充電的過程,提高了測試電機的測試效率,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染。

1電池的荷電狀態(tài)

  由電池的荷電狀態(tài)(SOC)可以估算出電池的剩余可用容量,因此可以根據(jù)電池剩余容量占電池容量百分比對其進行表示,把電池不能吸收能量這一狀態(tài)定義為100%,把電池不能放出能量這一狀態(tài)定義為0%。一般電池SOC表達式如下[24]:

  SOC=SOC0-∫(ibatt/C)dt(1)

  式中,SOC0是動力鋰離子電池的荷電狀態(tài)的初始電荷,C為動力鋰離子電池的實際容量,ibatt是電池負載的電流,SOC是當(dāng)前的荷電狀態(tài)。

  1.1單體電池放電

  鋰離子電池在不同溫度、充放電倍率、循環(huán)次數(shù)和電池的老化程度下,放電電壓曲線是不同的,為了簡化研究電池的難易程度,本文選取環(huán)境溫度為參考溫度,選取的電池為18650鋰離子電池2 900 mAh,放電倍率為0.4 C。電池測試平臺選用美爾諾M9712系列直流電子直流負載,它具有恒流、恒壓、恒功率和恒阻操作模式,配合PC配套軟件使用,上位機軟件可以設(shè)置為電池放電功能,可以設(shè)置電池放電周期、電池安全電壓和計算電池放電容量等功能。

  在環(huán)境溫度下,放電倍率為0.4 C恒流放電條件下,單體電池電壓與放電時間的關(guān)系曲線如圖1所示。

001.jpg

  從圖1中可以看出放電過程分為3個階段,第一個階段為陡峰期,電池電壓瞬間從4.2 V下降到3.8 V左右,緊接著進入平臺期,在此期間電池電壓有下降的趨勢,在整個放電過程中占了將近80%以上的時間,當(dāng)電池剩余容量不到10%時,電池電壓再次出現(xiàn)陡峰期,電池放電時間不到5 min,電池電壓下降到2.7 V,放電截止[5]。

  1.2動力鋰離子電池與開路電壓之間的關(guān)系

  在環(huán)境溫度下,對鋰離子電池以0.4 C恒流放電試驗,計算出實際放出的容量,實驗中把實際放出的電量分成10等份,每一等份釋放完就視為SOC下降了10%,每當(dāng)SOC下降了10%就靜止一定的時間,然后測量電池的電壓,測量的電池電壓就視為電池的開路電壓,如圖2和圖3所示[67]。

 

002.jpg

  從圖2、圖3中可以看出,每個階段電池電流變?yōu)榱銜r,電池電壓緩慢上升,總體趨勢開路電壓是下降的,從測試的實驗數(shù)據(jù)中可以得出OCV與SOC之間的關(guān)系如表1所示。

007.jpg

  通過表1中的數(shù)據(jù)可以擬合出電池SOC的值與開路電壓OCV關(guān)系曲線圖。其相應(yīng)關(guān)系可以用一條曲線來擬合表示,如圖4所示。

  

003.jpg

2鋰離子電池參數(shù)辨識

004.jpg

  從圖5中可以看出,當(dāng)電池中的電流突然變?yōu)榱銜r,電池電壓將產(chǎn)生突變,將電池電壓上升部分分為4個階段,第一個階段為B~C,電池電壓變化較大,這是由于電池內(nèi)阻歐姆電壓消失造成的;第二個階段C~D電池電壓緩慢上升,持續(xù)時間較短,是由于電池極化短期消失的過程;第三個階段D~E,電池電壓緩慢上升,持續(xù)時間較長,是電池極化電壓長期消失的過程;最后一個階段E點之后電池電壓將不再上升,這時的電池電壓等于電池的開路電壓。

 

005.jpg

  通過分析鋰離子電池電壓瞬態(tài)響應(yīng),同時考慮了各種外界因素,本文采用的電池等效電路模型如圖6所示[3]。

  當(dāng)電池放電時,電流流動的方向如圖6所示,此時電流方向為正,根據(jù)電路原理分析可以計算出電壓與電流之間的關(guān)系為:

  YW27]@@OF7H%(S_U(@U{{{O.png

  從圖2周期恒流放電實驗中可以看出,當(dāng)電池放電時,電池電壓輸出曲線呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢,電流突然變?yōu)榱銜r,電池的輸出有一個瞬變電壓,緊接著按照指數(shù)形式繼續(xù)上升。這種趨勢變化的主要原因有:當(dāng)電池放電時,極化電容C1和C2進行充電,形成RC極化電壓V1和V2,當(dāng)電池中的電流變?yōu)榱銜r即電池靜止?fàn)顟B(tài)時,極化電容兩端的電壓通過并聯(lián)電阻放電,電壓呈現(xiàn)指數(shù)下降[8]。圖5是圖2的局部放大圖,圖中A點是電池放電開始時刻,B點是放電停止時刻,A→B是放電區(qū)域,放電時間足夠長,E點是靜止停止時刻,B→E是靜止趨勢,靜止時間足夠長,其中E點中的電壓為Voc(SOC)。

  在A→B區(qū)域中,RC網(wǎng)絡(luò)為零狀態(tài)響應(yīng),其輸出電壓為:

  u(t)=i(t)R(1-e-tRC)(5)

  假設(shè)圖5中tA~tB期間為放電時刻,tB~tE期間為靜止時刻,其中tA為放電開始時刻,tB為放電停止時刻,則A→B區(qū)域中任意時刻t(以tA為原點)輸出的電池電壓為:

  U0PPAFK$YXDV%UVP`19(ROL.png

  圖5中,B點電流為零的瞬間,電池的電壓瞬間抬高,這是由于電池的歐姆內(nèi)阻引起的,從圖6等效電路模型中可以得出內(nèi)阻R0,則內(nèi)阻R0可用下列公式計算得到:

  JBZ[`LZNR{}5TO_(]W0EA`I.png

  通過使用MATLAB cftool工具箱利用最小二乘法擬合成曲線如圖7所示。

 

006.jpg

  由式(10)~(11)及通過擬合曲線方程可以辨識出電池參數(shù),具體參數(shù)如表2所示。

008.jpg

3多元化電池模擬

  可以將電池溫度變化率T·、電壓V、內(nèi)阻r、SOC變化率表示為電流的函數(shù):

  (T·,V,r,ζ·)=f(I)(12)

  每一個單體電池的狀態(tài)初始值是不同的,常規(guī)意義上的電池模擬需要將電池模擬數(shù)量進行簡單的求和,這樣的模擬是不精確的。每一個單體電池都有對應(yīng)的溫度信號、電壓信號、電流信號等,由傳感器進行信號采集。通過每一個單體電池也要模擬出真實電池的運行特性,這樣就會大大增加整個模型的運行時間。

  為了簡化模型的運行,模型中輸入的電流為一個矩陣,矩陣的數(shù)量為(I1,I2...In),可以產(chǎn)生對應(yīng)的n個矩(T·1,V1,r1,ζ·1),(T·2,V2,r2,ζ·2)...(T·n,Vn,rn,ζ·n)。

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  進行硬件在環(huán)測試的電池模型必須具有多元電池能力。一個電池模擬器能夠處理幾十個單體電池,但是模型的數(shù)據(jù)需要對成千上萬的單體電池進行模擬。這個模型需要有效地模擬多元化電池。

  使用概率密度來對電池的參數(shù)進行仿真。它使用一個不同的矩陣來生成電池的不均衡,電池模型用于硬件在環(huán)對不同參數(shù)的單體電池驗證。使用兩個普通的概率分布:正態(tài)分布和卡方分布。正態(tài)分布如圖8所示,卡方分布如圖9所示,用于產(chǎn)生單體電池電容和給定SOC開路圖8正態(tài)分布圖9卡方分布圖11電池二階等效電路模型子模型電壓的函數(shù)。正態(tài)分布的特征是均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

009.jpg

010.jpg

  考慮到電池特性的偏差,這時每個電池的電流、內(nèi)阻、初始SOC和電池容量的放大系數(shù)可以分別設(shè)置為:

  SOC_initial_scale=normrnd(1,0.02,num,1)(13)

  battery_current_scale=ones(num,1)(14)

  para_different=normrnd(1,0.02,num,1)(15)

  r_scale=chi2rnd(4,[num,1])/70+0.97(16)

011.jpg

  式中num表示電池的數(shù)目,這就將電池的輸入轉(zhuǎn)化為矩陣輸入,每一個輸入值都存在微小的差異。

  電池等效模型包括電壓源模型、二階RC模型,如圖10所示,而圖11是圖10子模型。

012.jpg

  同一類型的電池都存在微小的差異,能夠模擬幾十個到上千個電池,使用正態(tài)分布和卡方分布參數(shù)差異化方法來模擬數(shù)量龐大的電池,圖12是模擬40節(jié)電池的放電曲線。 

013.jpg

4結(jié)論

  本文通過查閱相關(guān)文獻,選擇了合適的電池模型結(jié)構(gòu),在不同放電倍率下辨識出了電池的參數(shù),通過提出的這些參數(shù)建立了數(shù)學(xué)模型,最后通過Simulink仿真進行了驗證。

  使用正態(tài)分布和卡方分布,提出了電池參數(shù)的差異化,利用電池參數(shù)差異化對電池模擬數(shù)量求和,從而具有由單體電池到模擬多元化的能力。

參考文獻

  [1] 王志強. 電動汽車動力鋰離子電池模擬器的研究[D]. 重慶:重慶理工大學(xué),2012.

  [2] 鄧濤,孫歡.鋰離子電池新型SOC安時積分實時估算方法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,29(1):101106.


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