从系列中:混合动力电动汽车
哈维尔·Gazzarri MathWorks
了解等效电路以及你为什么想要使用它们。在本视频中,你将学习:
你好,每个人。我叫哈维尔·加扎里。我是MathWorks的一名应用工程师,专门从事电池系统的建模和仿真设计和分析。我是一名机械工程师,本科毕业于布宜诺斯艾利斯大学,硕士和博士毕业于英属哥伦比亚大学。
在7年前加入MathWorks之前,我在加拿大政府工作了4年,在加拿大温哥华的国家研究委员会燃料电池创新研究所研究低温燃料电池。
锂离子电池是现代电动和混合动力汽车的首选电池类型,因为它具有高比能、良好的循环寿命和极低的电池放电。然而,由于所有这些优点,需要仔细的电池管理,以确保安全运行和可接受的耐久性。例如,温度和电压应保持在可接受的范围内,以避免过早退化,电源的交付和验收也应如此。
今天我将与你分享一些关于如何创建一个电池电池的Simulink模型用于电池系统设计和控制的想法。金宝app首先,我们将展示如何使用等效电路来表示电池的动态行为。这是很重要的,因为BMS,作为任何控制器,需要调整到它所连接的工厂的动态。一个好的电池模型会告诉我它是如何表现为环境条件和电荷状态的函数。
其次,我们将看到如何使用参数估计来参数化基于测量数据的等效电路,参数估计是一种基于优化来拟合模型到实验数据的技术。最后,我们将看到如何改进和精炼估计,使用更精细的等效电路类型为模型增加保真度,用曲线拟合补充研究,并使用并行计算加速计算。
使用基于模型的设计开发电池系统需要一个电池单元模型,该模型能够准确地表示电池的实际使用行为以及对环境和操作条件的依赖性。例如,它需要在电流放电事件(如脉冲)后的时间依赖恢复中再现电压降。尽管需要捕捉电池中存在的电化学现象的所有细节,但面向控制的应用需要一种更有效的方法,这种方法可以扩展到电池组级别,并最终能够进行实时模拟。
在保真度和模拟时间之间,一个被广泛接受的折衷是等效电路。等效电路是一个电化学类比为代表的行为一个电化学的电池使用一个相对简单的电路包含一个电压源和几个电阻和电容,共同反映了开放代孕潜力,内部阻力和弛豫时间的细胞。
当使用任何给定的电路对电池进行建模时,选择电路拓扑和参数化是很重要的,以便它能像物理电池一样做出尽可能相似的响应。
典型的等效电路包括与开路电位有关的电压源、与隔膜和电解质的离子电导率有关的串联电阻、和一个或多个电阻电容对,模拟扩散过程涉及到锂离子在多孔电极内外的插补和反插补。
就参数化而言,捕捉在测试真实电池时观察到的电化学和耗散现象以及它们对状态和环境条件的依赖性是至关重要的。这些要求要求使用矩阵而不是标量参数,这些参数作为查找表,构成感兴趣的锂离子化学的物理指纹。
确定等效电路特性参数的一种可能方法是进行参数估计。参数估计是一种基于优化的过程,它将仿真结果与实验测量结果进行比较,并以仿真与实验相匹配的方式确定模型的参数。这一切都从提出一个等效电路架构开始,基于之前对系统的了解,我们相信可以代表真实系统的行为。
对等效电路的初始参数化是根据我们的经验,用暂定值进行的。该模拟被设置为再现放电实验的条件,通常是在一个受控的温度环境中进行的。
让我们先看一下实验数据。保持25摄氏度的恒定温度,一个31英寸的动力镍锰芯电池从充满电的状态一直放电到0 SOC。当电流流出电池时,测量的电压下降,然后在脉冲后恢复。恢复过程中电压降的形状是这些特殊电池化学特性的特征。
这个过程的目标是能够使用具有正确参数的等效电路来再现它。更具体地说,串联电阻需要考虑恢复的瞬时部分。结合的RC对需要解释恢复的指数部分。电压源必须提供正确的OCV作为SOC的功能。
此外,我们可以观察到响应是不同的电荷水平状态。因为我们不能直接控制电荷状态,但当我们从电池中放出电流时,电荷状态会发生变化,所以我们需要允许所有参数都是查找表,而不是定标器,以说明SOC依赖性。
这就是为此目的而设计金宝app的Simulink模型。一系列放电电流脉冲从这个块内的等效电路中提取,方法与在实验室中相同。同时,使用该电压传感器测量各端子间的电压,并由优化器与实验测量的电压进行比较。
查看锂离子电池块内部,我们可以看到一个简单的等效电路,带有一个电压源、一个内阻和一个RC对。稍后,我们将观察到,只有一个时间常数不足以捕捉这个特定细胞的所有动力学。如果我们使用初始猜测作为参数运行模型,我们会观察到模拟和实验测量之间的这种不匹配。
金宝appSimulink将使用MATLAB的优化功能,通过调整等效电路的参数,尽量减小仿真和实验数据之间的差异。这是使用名为Simulink Design Optimization的库完成的。该工具充当Simulink和MATLAB优化功能之间的桥梁。
在左边,我们可以看到要估计的四个参数。我们需要记住,它们实际上是10个元素的向量,对应于10个电荷态。其次,我们指定了用于每个估计的实验。我们始终建议至少保留一组独立测量的数据用于验证。
当我们开始估算时,Simulink会反复运行模型。每隔几次,金宝app它就会评估离目标有多远,也就是实验曲线。虽然距离不够近,但它会对要估计和评估的参数值施加扰动,以确定该变化是否改善了情况。这是通过使用高级优化算法以非常有效的方式完成的。
目前的计算需要几分钟才能收敛,因此为了演示,我们将加快速度。
在右边,我们可以看到参数的演变。每种颜色表示四个等效电路元件中的一个。每种颜色中的每一条线对应于特定的电荷状态。
让我们评估一下最后的结果。我们可以看到,在大多数情况下,优化器很好地拟合了电压降事件和松弛。然而,在某些地方,这种配合显然不够好。这是一个评估我们在开始时提出的等效电路拓扑有效性的时间。
在某些情况下,很明显,指数电压弛豫比单个时间常数指数曲线更复杂,这使我们相信等效电路需要更精细。一个简单的方法是添加更多的时间常数。
让我们看一个松弛事件,看看我们用简单的曲线拟合会发现什么。回到实验测量,我们选择一个松弛间隔。现在让我们将数据导出到一个变量中,并使用曲线拟合工具箱查看它。由于我们对非常特殊的函数形式感兴趣,我们将需要使用一个定制的方程,特别是一个有指数项的和的方程。
它不需要超过三个指数项来比以前更精确地拟合松弛。这表明,当涉及到选择等效电路拓扑时,三个RC组件是一个更好的选择。让我们试试。
这个模型与我们以前看到的模型相似,但现在等效电路包含三个时间常数,而不是一个。正在计算的参数数量现在是80,八个等效目标元素各10个。对于这么大的问题,使用并行计算来分配计算负载是有意义的。
金宝appSimulink design optimization,通过在选项中选择并行计算的使用,使我们可以毫不费力地做到这一点。同样,为了演示,我们将以加速的速度展示该过程。以下是结果。
这一过程必须在有实验数据的感兴趣的每种温度下重复进行。用这种技术确定的每个参数向量将被堆叠起来,构成查找表,以后将对一般的非等温模型进行参数化。我们将在另一节课上看到这个建模细节。
总之,我们了解了如何使用Simulink模型和Simulink组件,结合等温金宝app放电数据,找到描述给定锂离子电池性能的最佳等效电路和参数。为了执行此计算,我们使用Simulink设计优化。
在这个视频中,我们看到了一种方法,使用实验测量、模拟和优化的组合来创建和参数化锂离子电池的等效替代品。我们开始提出等效电路拓扑和初始参数的猜测。我们看到了MATLAB和Simulink如何协同工作金宝app来创建一个优化问题来计算参数值。其结果是一个电池块,它包含了模拟真实电池行为的信息,并且可以在基于所研究设备类型的储能安排的任何系统级模型中重复使用。
从这里开始的下一步是创建整个电池组的模型,并围绕它设计电池管理系统。这将是一个单独的视频的主题。
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