从系列:混合动力电动汽车
哈维尔Gazzarri,MathWorks公司
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。
加入MathWorks公司七年了,以前我工作了四年,加拿大政府在美国国家研究委员会在温哥华研究院燃料电池创新研究低温燃料电池之前。
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,我将与大家分享有关如何创建一个Simulink模型用于在电池系统设计和控制中使用的电池单元的一些想法。金宝app首先,我们将展示如何使用等效电路来表示电池单元的动态行为。这是重要的,因为BMS,因为任何控制器,需要被调谐到植物它连接到的动态。电池单元的一个好的模型会告诉我如何操作与环境条件和充电状态的功能。
其次,我们将看到如何参数基于使用参数估计的基础上,优化以适应模型实验数据的技术测量数据的等效电路。最后,我们将看到如何改进和完善的估计,增加逼真度与使用更复杂的等效电路类型学的模型,恭维与曲线拟合研究,并采用并行计算加速计算。
使用基于模型的设计来开发电池系统,需要电池的模型能够准确地反映其真实的寿命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。尽管捕捉电池中存在的电化学现象的所有细节是可取的,但以控制为导向的应用需要一种更有效的方法,可以扩大到电池组水平,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。
当模拟的电池单元,使用任何给定的电路,它选择电路拓扑和参数,使得其可作为物理电池单元作为类似地进行回复是重要的。
典型的等效电路包括与所述开路电势,一个串联电阻与分离器和电解质的离子导电性,以及一种或多种电阻器电容器对相关的电压源,其模仿的参与锂离子的插和deinterpolation过程扩散进出多孔电极。
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。
一种可能的路线,以确定一个等效电路的特征参数正在执行参数估计。参数估计是通过仿真结果对一个实验测量比较,该模型的参数以这样的方式,模拟实验匹配确定的优化的基于过程。这一切都始于提出的等效电路架构,基于该系统的以前的知识,我们相信可以代表实际系统的行为。
等效电路的初始参数使用基于我们的经验暂定值来实现。仿真设置为再现放电实验,典型地在受控的温度环境中进行的条件。
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。
而这个过程的目的是为了能够使用与正确的参数等效电路重现它。更具体地,串联电阻需要考虑的恢复的瞬时部分。将合并的RC对需要说明的恢复的指数部分。电压源必须提供正确的OCV的SOC的函数。
此外,我们可以观察到不同状态的电荷水平的响应。因为我们不能直接控制电荷的状态,但是当我们将电流移出单元时,状态会发生变化,所以我们需要允许所有参数都是查找表,而不是标量,以解释SOC的依赖性。
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。
看里面的锂离子电池块,我们可以看到一个简单的等效电路与电压源,一个内阻,和一个单一的RC对。稍后,我们将观察到,仅一个时间常数不足以捕获这个特定细胞的所有动态。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不匹配。
金宝appSimulink将与MATLAB的优化函数一起工作,通过调整等效电路的参数,尽量减少仿真数据和实验数据之间的差异。这是使用一个名为Simulink设计优化的库完成的。金宝app该工具是Simulink与MATLAB优化功能之间的桥梁。金宝app
在左边,我们可以看到四个需要估计的参数。我们需要记住,它们中的每一个实际上是一个由10个元素组成的向量对应于10个能级的电荷态。其次,我们明确了每一个估计所使用的实验。我们总是建议保留至少一组独立测量的数据用于验证。
当我们开始评估时,Simulink会一次又一次地运行这个模型金宝app。每隔几次,它就会评估它离目标,即实验曲线,有多远。虽然它不够接近,但它对要估计的参数值施加扰动,并评估该变化是否改善了情况。这是在一个非常有效的方式,使用先进的优化算法。
本计算需要几分钟收敛,所以我们会加快它用于演示目的。
在右手边,我们可以看到参数的演变。每种颜色代表四种等效电路元件中的一种。每种颜色中的每条线都对应着特定水平的电荷状态。
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,很显然,指数电压松弛不是单一的时间常数指数曲线更加复杂,导致我们相信,等效电路需要更加精细。一个简单的地方就是增加更多的时间常数。
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见过的模型相似,但现在等效电路包含三个而不是一个时间常数。正在计算的参数数量现在是80个,8个等效目标元素每个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设计优化,允许我们通过选择使用并行计算的选项来轻松做到这一点。同样,为了演示的目的,我们将以加速的速度展示这个过程。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。
综上所述,我们已经看到了如何使用Simulink模型与Simulink组件结金宝app合等温放电数据来找到描述给定锂离子电池电池行为的最佳等效电路和参数。为了完成这个计算,我们使用了Simulink设计优化。金宝app
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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