通用电池模型
Simscape /电气/专用电力系统/电源
这个电池Block实现了一个通用的动态模型,代表了最流行的充电电池类型。
这张图显示了块模型的等效电路。
电路参数可以修改来代表特定的电池类型及其放电特性。典型的放电曲线由三个部分组成。
第一部分表示电池充电时的指数电压降。跌落的宽度取决于电池类型。第二部分表示可从电池中提取的电荷,直到电压降至电池标称电压以下。最后,第三部分代表了当电压迅速下降时电池的总放电量。
当蓄电池电流为负时,蓄电池将按照充电特性进行充电。
模型参数由放电特性导出。假设放电和充电特性相同。
Exp(s)传递函数表征了铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池在充放电过程中的滞后现象。当电池充电时,无论电池的充电状态如何,电压指数都在增加。当电池放电时,指数电压立即降低。
电池的荷电状态(SOC)是电池电量的衡量标准,用充满电的百分数表示。放电深度(DOD)是SOC的数值补充,即国防部= 100% -SOC.
例如,如果SOC为:
100% -电池充满电,国防部是0%。
75%-电池电量为3/4,国防部电量为25%。
50% -电池充1/2电,国防部充50%电。
0% -电池没有充电,国防部是100%。
模型的实验验证表明,充电(电流为0 ~ 2c)和放电(电流为0 ~ 5c)动态最大误差为5% (SOC在10% ~ 100%之间)。
这张图显示了从松下NiMH-HHR650D电池数据表中提取的详细参数。
您可以从规格表中获得额定容量和内阻。其他详细参数由典型放电特性图导出。
参数 |
价值 |
---|---|
额定容量 |
|
内阻 |
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额定电压(a) |
|
额定容量 |
|
最大容量(b) |
|
满充电电压(c) |
|
额定放电电流(d) |
|
额定电压(a)下的容量 |
|
指数电压(e) |
|
能力指数(e) |
|
这些参数是近似的,取决于从放电曲线获得的点的精度。
从这些参数得到的放电曲线与数据表的曲线相似,如下图中用虚线标出。
表示锂离子(锂离子)的温度效应电池类型,环境温度下的附加放电曲线,与标称温度不同,需要热响应参数。数据表上通常不提供附加放电曲线,可能需要进行简单的实验。以下示例显示了从123锂磷酸铁ANR26650M1和松下锂钴氧化物CGR 18650 AF电池数据表。
A123 ANR26650M1数据表规格包括所需的放电曲线点和其他所需参数。
这些参数来自A123锂离子温度相关电池模型的数据表。
参数 | 价值 |
---|---|
额定电压(c) |
|
额定容量 |
|
最大容量(d) |
|
充满电压(a) |
|
额定放电电流 |
|
内部阻力 |
|
额定电压下的容量(c) |
|
指数区(b) |
[ |
额定环境温度 |
|
第二个环境温度 |
|
0°C时的最大容量(h) |
|
0°C时的初始放电电压(e) |
|
0°C时90%最大容量下的电压(g) |
|
0°C时的指数区(f) |
[ |
电池-环境热阻(估计) |
|
电池-环境热时间常数(估计) |
|
图中虚线为模拟得到的不同环境温度下的放电曲线。模型的性能与数据表的结果非常接近。
同样的参数提取方法用于松下锂离子CGR18650AF具有这些规格。
这些参数是为电池模型提取的。
参数 | 价值 |
---|---|
额定电压(c) |
|
额定容量 |
|
最大容量(d) |
|
充满电压(a) |
|
额定放电电流 |
|
内部阻力(估计) |
|
额定电压下的容量(c) |
|
指数区(b) |
[ |
额定环境温度 |
|
第二个环境温度 |
|
0°C时的最大容量(h) |
|
0°C时的初始放电电压(e) |
|
0°C时90%最大容量下的电压(g) |
|
0°C时的指数区(f) |
[ |
电池-环境热阻(估计) |
|
电池-环境热时间常数(估计) |
|
该图显示了模拟流量曲线(由虚线表示)与数据表曲线之间的良好匹配。模型的精度取决于数据表流量曲线中选定点的精度。
要基于单个单元的参数对一系列和/或并行组合单元进行建模,可以使用下表所示的参数转换。这个Nb_ser
变量对应于序列中的单元格数,和Nb_par
对应于并行的单元格数。
参数 | 价值 |
---|---|
额定电压 |
1.18*注意 |
额定容量 |
6.5 * Nb_par |
最大容量 |
7*Nb_标准杆 |
完全充电电压 |
1.39 * Nb_ser |
额定放电电流 |
1.3*Nb_标准杆 |
内部阻力 |
0.002 * Nb_ser / Nb_par |
额定电压容量 |
6.25 * Nb_par |
指数区 |
1.28 * Nb_ser, 1.3 * Nb_par |
对于铅酸电池类型,模型使用这些方程。
流量模型(i* > 0)
收费模型(i* < 0)
对于锂离子电池类型,模型使用这些方程。
流量模型(i* > 0)
收费模型(i* < 0)
对于镍镉和镍金属氢化物电池类型,模型使用这些方程。
流量模型(i* > 0)
收费模型(i* < 0)
在方程:
E棉絮是非线性电压,单位为V。
E0是恒定电压,单位为V。
Exp (s)是指数区域动力学,用V表示。
选取(s)表示电池模式。选取(s)=0
在电池放电,选取(s)=1
在电池充电。
K是极化常数,单位为V/Ah,或极化电阻,单位为欧姆。
我*为低频电流动态,在A中。
我为电池电流,单位为A。
它为提取容量,单位为Ah。
Q为电池最大容量,单位为Ah。
A是指数电压,单位是V。
B是指数容量吗−1.
对于锂离子电池类型,温度对模型参数的影响由这些方程表示。
流量模型(i* > 0)
收费模型(i* < 0)
与
地点:
T裁判为标称环境温度,单位为K。
T是细胞内部温度,单位是K。
T一为环境温度,单位为K。
E/T为可逆电压温度系数,单位为V/K。
α是极化电阻的阿累尼乌斯速率常数。
β是内阻的阿伦尼乌斯速率常数。
ΔQ/ΔT为最大容量温度系数,单位为Ah/K。
C是标称放电曲线斜率,单位为V/Ah。对于放电曲线不太明显的锂离子电池(如磷酸铁锂电池),此参数设置为零。
电池或内部温度,T,在任何给定时间,t,表示为:
地点:
Rth为热阻,电池对环境(°C/W)。
tc为热时间常数,电池与环境(s)。
P损失是充电或放电过程中产生的总热量(W),由
对于锂离子电池类型,由于循环老化对电池容量和内阻的影响可以用以下公式表示:
与
地点:
Th是半个循环的持续时间,单位为s。当蓄电池放电和充电或相反时,获得一个完整的循环。
Q波尔为电池在额定环境温度下的最大容量,单位为Ah,开始使用时(BOL)。
Q终点为电池在额定环境温度下的最大容量,单位为Ah,在使用寿命结束时(EOL)。
R波尔是电池的内阻,以欧姆为单位,在BOL和额定环境温度下。
R终点为电池在EOL和标称环境温度下的内阻(欧姆)。
ε为电池老化系数。在BOL和EOL处,老化因子为零且一致。
电池老化系数ξ表示为
地点:
DD为电池经过半循环时间后的DOD(%)。
N最大循环数和是由
地点:
H为循环数常数(cycles)。
ξ是国防部的指数因子。
ψ是周期数的阿伦尼乌斯速率常数。
我迪苏大街是半个周期内的平均放电电流,单位为A。
我ch_ave为A在半个周期内的平均电荷电流。
γ1为放电电流的指数因子。
γ2为电荷电流的指数因子。
限制
电池空载电压最小为0v,电池空载电压最大为2 ×E0.
电池的最小容量为0ah,最大容量为Q马克斯.
假设
假设内阻在充放电周期内是恒定的,不随电流的幅值而变化。
模型的参数由放电特性导出。假设放电和充电特性是相同的。
电池的容量不随电流的幅值变化(不存在Peukert效应)。
不代表电池的自放电。它可以通过在蓄电池端并联增加一个大电阻来表示。
电池没有记忆效果。
Omar N., M. A. Monem, Y. Firouz, J. Salminen, J. Smekens, O. Hegazy, H. Gaulous, G. Mulder, P. Van den Bossche, T. Coosemans,和J. Van Mierlo。磷酸铁锂电池。老化参数的评估和循环寿命模型的发展应用能源,第113卷,2014年1月,1575-1585页。
[2] Saw, L.H., K. Somasundaram, Y. Ye, and A.A.O. Tay,“电动汽车用磷酸铁锂电池的电热分析”。电源杂志.第249卷,231-238页。
[3] Tremblay, O., L.A. Dessaint,“用于电动汽车应用的电池动态模型的实验验证”。世界电动汽车杂志.第三卷,2009年5月13-16日。
[4] Zhu C., X. Li, L. Song, and L. Xiang,“theoretical based on thermal model of lithium ion battery pack.”电源杂志第223卷,第155-164页。