主要内容

电池

通用电池模型

  • 图书馆:
  • Simscape /电气/专用电力系统/电源

  • 电池块

描述

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。

充放电特性

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%。

模型验证

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)。

参数化

从数据表中提取电池参数

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

6.5

内阻

2

额定电压(a)

1.18

额定容量

6.5

最大容量(b)

7啊(5.38h *1.3(A)

满充电电压(c)

1.39

额定放电电流(d)

1.3A

额定电压(a)下的容量

6.25

指数电压(e)

1.28

能力指数(e)

1.3

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)

3.22

额定容量

2.3

最大容量(d)

2.3

充满电压(a)

3.7

额定放电电流

2.3A

内部阻力

10

额定电压下的容量(c)

2.07

指数区(b)

[3.4V,0.23啊)

额定环境温度

25°C

第二个环境温度

0°C

0°C时的最大容量(h)

2.208

0°C时的初始放电电压(e)

3.45

0°C时90%最大容量下的电压(g)

2.8

0°C时的指数区(f)

[3.22V,0.23啊)

电池-环境热阻(估计)

0.6

电池-环境热时间常数(估计)

1000

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)

3.3

额定容量

2.05

最大容量(d)

2

充满电压(a)

4.2

额定放电电流

1.95A

内部阻力(估计)

16.5

额定电压下的容量(c)

1.81

指数区(b)

[3.710.6 V,啊)

额定环境温度

25°C

第二个环境温度

0°C

0°C时的最大容量(h)

1.78

0°C时的初始放电电压(e)

4

0°C时90%最大容量下的电压(g)

3.11

0°C时的指数区(f)

[3.8V,0.2啊)

电池-环境热阻(估计)

0.06

电池-环境热时间常数(估计)

1000

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。

串联和/或并联模型单元

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

方程

对于铅酸电池类型,模型使用这些方程。

  • 流量模型(i* > 0)

    f 1 ( t , * , , E x p ) = E 0 K Q Q t * K Q Q t t + 拉普拉斯 1 ( E x p ( ) e l ( ) 0 )

  • 收费模型(i* < 0)

    f 2 ( t , * , , E x p ) = E 0 K Q t + 0.1 Q * K Q Q t t + 拉普拉斯 1 ( E x p ( ) e l ( ) 1 )

对于锂离子电池类型,模型使用这些方程。

  • 流量模型(i* > 0)

    f 1 ( t , * , ) = E 0 K Q Q t * K Q Q t t + A 经验值 ( B t )

  • 收费模型(i* < 0)

    f 2 ( t , * , ) = E 0 K Q t + 0.1 Q * K Q Q t t + A 经验值 ( B t )

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)

    f 1 ( t , * , , E x p ) = E 0 K Q Q t * K Q Q t t + 拉普拉斯 1 ( E x p ( ) e l ( ) 0 )

  • 收费模型(i* < 0)

    f 2 ( t , * , , E x p ) = E 0 K Q | t | + 0.1 Q * K Q Q t t + 拉普拉斯 1 ( E x p ( ) e l ( ) 1 )

    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。

    • 为电池电流,单位为A。

    • 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

温度效应方程

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)

    f 1 ( t , * , , T , T ) = E 0 ( T ) K ( T ) Q ( T ) Q ( T ) t ( * + t ) + A 经验值 ( B t ) C t

    b t t ( T ) = f 1 ( t , * , , T , T ) R ( T )

  • 收费模型(i* < 0)

    f 1 ( t , * , , T , T ) = E 0 ( T ) K ( T ) Q ( T ) t + 0.1 Q ( T ) * K ( T ) Q ( T ) Q ( T ) t t + A 经验值 ( B t ) C t

    b t t ( T ) = f 1 ( t , * , , T , T ) R ( T ) ,

    E 0 ( T ) = E 0 | T r e f + E T ( T T r e f )

    K ( T ) = K | T r e f 经验值 ( α ( 1 T 1 T r e f ) )

    Q ( T ) = Q | T + Δ Q Δ T ( T T r e f )

    R ( T ) = R | T r e f 经验值 ( β ( 1 T 1 T r e f ) ) ,

    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。

    • ΔQT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:

    T ( t ) = L 1 ( P l o R t h + T 1 + t c ) ,

    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

      P l o = ( E 0 ( T ) b t t ( T ) ) + E T T

老化效应方程

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:

Q ( n ) = { Q B O L ε ( n ) ( Q B O L Q E O L ) f k / 2 0 Q ( n 1 ) o t h e r w e

R ( n ) = { R B O L + ε ( n ) ( R E O L R B O L ) f k / 2 0 R ( n 1 ) o t h e r w e ,

n = k T h ( k = 1 , 2 , , ... )

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

ε ( n ) = { ε ( n 1 ) + 0.5 N ( n 1 ) ( 2 D O D ( n 2 ) + D O D ( n ) D O D ( n 1 ) ) f k / 2 0 ε ( n 1 ) o t h e r w e ,

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

    N ( n ) = H ( D O D ( n ) One hundred. ) ξ 经验值 ( ψ ( 1 T r e f 1 T ( n ) ) ) ( d _ e ( n ) ) γ 1 ( c h _ e ( n ) ) γ 2 ,

    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。

    • 迪苏大街是半个周期内的平均放电电流,单位为A。

    • 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。

限制和假设

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。

港口

输入

全部展开

环境温度输入接口。

依赖关系

要启用此端口,请设置类型锂离子选择模拟温度效应

输出

全部展开

电池温度、充电状态、电流、电压、寿命、最大容量和环境温度的信号输出向量。要解复用信号,可以使用总线选择器街区。

信号

定义

单位

环境温度

环境温度

°C
电池温度

电池或内部温度

°C
SOC

电池SOC,以百分比表示(介于0和100%之间)。电池充满时SOC为100%,空时为0%。SOC计算如下:

O C = One hundred. ( 1 1 Q 0 t ( t ) d t )

%
当前的 电池电流 A
电压 电池电压
年龄 电池的年龄 等效全循环
最大容量 电池的最大容量

依赖关系

端口输出信号为:

  • 环境温度,如果模拟温度效应被选中。

  • 电池或内部温度如果模拟温度效应被选中。

  • 电池如果年龄模拟老化效应被选中。

  • 电池最大容量,如果模拟老化效应被选中。

保护

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与电池正极相关的专用电保存端口。

专门的电保存端口与电池的负极。

参数

全部展开

参数

电池模型。该块为四种电池类型提供预定的充电行为。为锂离子电池,该模块提供模拟温度和老化效应的模型。

依赖关系

如果该参数设置为锂离子,这些参数可见:

选择热动力学模型。

依赖关系

要启用该参数,请设置类型锂离子.有关更多信息,请参见类型

如果模拟温度效应选择:

  • 温度设置是可见的。有关更多信息,请参见温度

  • 输入端口助教是可见的。有关详细信息,请参阅助教

为了模拟热动力学,该模块使用电池特定的温度参数。

如果你有驾驶执照金宝app仿真软件优化设计™和经验电池数据,您可以:

  1. 将该参数设置为没有

  2. 利用经验数据估计温度参数金宝app仿真软件优化设计

  3. 中的参数温度使用估计值进行设置。有关更多信息,请参阅温度

否则,使用模块为锂离子电池提供的预设数据。

依赖关系

要启用该参数,请设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见类型模拟温度效应

如果该参数设置为预置的锂离子电池之一,则在参数,放电,温度,设置被禁用。

选择与年龄相关的电池容量下降模型。

依赖关系

要启用该参数,请设置类型锂离子.有关更多信息,请参见类型

如果选择该参数,则老化设置是可见的。有关更多信息,请参见老化

额定电压,笔名标称电压代表放电特性线性区域的末端。

额定容量,Q额定,电池,在啊。额定容量是指电池的最小有效容量。

在模拟开始时,电池的荷电状态(SOC),以最大潜在荷电的百分比表示。电池荷电状态为100%时表示电池已充满电,0%时表示电池未使用。

中指定的值不影响块产生的放电曲线放电设置,单击情节

电池的响应时间,以s为单位,在最终值的95%。这个值表示电压动态,当施加电流步长时可以观察到。

图中显示了响应时间为30秒的电池的电压和放电电流。

放电

选择此选项可让块确定图形中的参数放电的参数值设置参数设置。

依赖关系

选择此参数将禁用放电设置。

最大的理论能力,Q,当电池电压出现不连续时,用Ah表示。这个值一般等于额定容量的105%。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

最小允许的电池电压,以v表示放电特性的结束。在截止电压下,电池完全放电。

完全充电电压,完整的,对于给定的放电电流。充满电的电压不是空载电压。

标称放电电流,单位为A,测量其放电曲线。

例如,1.5 Ah镍氢电池的典型放电电流为额定容量的20%:(0.2*1.5 Ah/1 h=0.3 a)。

电池的内阻,单位为欧姆。当使用预置型号时,加载通用值,对应标称功率的1%(标称电压乘以电池额定容量)。在充电和放电周期中,电阻是恒定的,不随电流的幅度而变化。

容量,Q笔名,从电池中提取,直到电压降至标称电压以下。这个值应该是betweenQ经验值Q马克斯

电压,经验值,和能力,Q经验值,对应于指数区的末端。电压应该在笔名完整的. 容量应介于0和0之间Qnom

显示特征

该块可以生成一个图形的两个图形,显示电池放电特性。这些电流的放电特性如图2所示。

生成的图的x轴单位情节

生成显示电池放电特性的两张图。第一个图形表示的标称放电曲线的指定值额定放电电流参数。第二幅图是在规定的放电电流下的放电曲线。

依赖关系

第二图的放电电流是指定的值放电电流[i1,i2,i3,…](A)参数。有关更多信息,请参见放电电流[i1,i2,i3,…](A)

单位为x图的-轴由指定的值决定,安时(啊)时间,单位参数。有关更多信息,请参见单位

温度

这个温度设置仅当参数设置,类型参数设置为锂离子模拟温度效应选中此复选框。有关详细信息,请参阅参数,类型,模拟温度效应

该电池为常见类型的锂离子电池提供预置参数值。要使用预先设置的参数值,请在参数设置,设置使用预置电池参数一个锂离子电池。有关更多信息,请参见使用预设电池

若使用预设选项,则在温度设置是电池初始温度(℃).中的其他参数温度设置被禁用,因为块提供了值。

或者,如果你有许可证金宝app仿真软件优化设计和经验电池数据,您可以估计锂离子电池的温度参数参数设置,设置使用预置电池参数没有

电池或电池内部温度,在°C开始模拟。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

在额定工作条件下,环境温度,以°C为单位。方法中提供的参数值参数设置在此环境温度下获得。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

环境温度,在°C,在第二种操作条件。的值应该小于指定的值标准环境温度T1(℃)参数。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

T2时的放电参数

最大电池容量,单位为Ah,在指定的温度下第二环境温度参数T2 (deg. C)

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型参数锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

第一次施加放电电流时,第二环境温度下的放电电压,单位为V。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

使用最大容量的90%时,在第二环境温度下的放电电压,单位为V。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

在第二个环境温度下,对应于指数区末端的放电电压(单位:V)和容量(单位:Ah)。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

热响应和热损失

电池与周围测量点之间的总热阻,单位为°C/W。假设电池的温度等于电池内部的平均温度。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

单元与环境测点之间的温度响应时间常数,单位为s。电池处于待机状态时,可通过环境温度阶跃响应得到。

依赖关系

中,此参数是可见的参数设置,设置类型锂离子选择模拟温度效应.有关更多信息,请参见参数,类型,模拟温度效应

如果,则启用该参数参数设置,设置使用预设电池没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

电池在相同c速率和环境温度下充放电时的功率损失差值,单位为W。

确定功率损耗差ΔP,用下面这个公式:

Δ P = t c ( θ 2 θ 1 ) R t h

在哪里θ1θ2为电池内部温度在充放电过程中的变化率(°C/s)。

依赖关系

只有在以下情况下,此参数才可见:参数设置,类型参数设置为锂离子模拟温度效应选中此复选框。有关详细信息,请参阅参数,类型,模拟温度效应

参数中,只有当参数设置,使用预设电池参数设置为没有.有关更多信息,请参见使用预设电池

老化

这个老化设置可见如果,在参数设置,你设置类型参数锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

在模拟开始时,电池老化或等效的全周期。一个完整的循环被定义为在标称环境温度和标称放电和充电电流下完全放电和充电到100% DOD和100% SOC。默认是0

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

老化模型的仿真时间步长,以s为单位。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

环境温度下的老化特性Ta1

首先是环境温度,Ta1,在℃老化性能测试期间。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

环境温度下EOL时的最大容量Ta1在啊。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

环境温度下EOL时的内阻Ta1在欧姆。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

标称和最大充电电流,用A表示。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

额定和最大放电电流A。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

100%放电深度、标称充电电流和放电电流、第一环境温度下的循环次数Ta1

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

25%放电深度、标称充电电流和放电电流以及第一环境温度下的循环次数Ta1

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

100% DOD、标称充电电流、最大放电电流和第一环境温度下的循环次数,Ta1

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

100%放电深度、最大充电电流、标称充电电流和放电电流以及第一环境温度Ta1下的循环次数。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

环境温度下的老化特性Ta2

第二环境温度,bTa2,在℃下进行老化性能测试。

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

100%DOD、标称充放电电流和第二个环境温度下的循环次数,Ta2

依赖关系

要启用此参数,请在参数设置,设置类型锂离子选择模拟老化效应.有关更多信息,请参见类型模拟老化效应

参考文献

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。

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