来自系列:混合动力电动汽车
哈维尔·Gazzarri MathWorks
学习等效电路以及为什么你想要使用它们。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,专门使用建模和仿真设计和分析电池系统。我是一名机械工程师,拥有布宜诺斯艾利斯大学学士学位,英属哥伦比亚大学硕士和博士学位。
在加入MathWorks七年前,我在加拿大政府工作了四年,在BC省温哥华市国家研究委员会的燃料电池创新研究所研究低温燃料电池。
锂离子电池因其高比能量、良好的循环寿命和极低的电池放电而成为现代电动和混合动力汽车的首选电池类型。然而,有了所有这些优点,就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,电力交付和验收也应如此。
今天我将与您分享一些想法,如何创建一个Simulink模型的电池电池,用于电池系统的设计和控制。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。这一点很重要,因为与任何控制器一样,BMS需要根据所连接的电厂的动态进行调整。一个好的电池模型将告诉我它是如何作为环境条件和电荷状态的函数表现的。
其次,我们将看到如何参数化的等效电路基于测量数据使用参数估计,一种基于优化的技术拟合模型的实验数据。最后,我们将看到如何改进和改进估计,使用更详细的等效电路类型增加模型的保真度,补充曲线拟合的研究,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电池单元的模型,可以准确地代表其现实生活行为和对环境和操作条件的依赖性。例如,它需要在电流放电事件(例如脉冲)之后的依赖于时间恢复的时间上降。尽管希望捕获在电池单元中存在的电化学现象的所有细节,但是导向的应用需求需要更有效的方法,可以缩放到电池组水平并最终能够进行实时仿真。
在保真度和仿真时间之间一个被广泛接受的折中方法是等效电路。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,重要的是选择电路的拓扑结构和参数化,使其响应尽可能类似于物理电池。
典型的等效电路包括与开路电势有关的电压源、与隔膜和电解质的离子电导率有关的串联电阻、以及一个或多个电阻电容对,模拟了涉及锂离子在多孔电极内插和外插的过程的扩散。
在参数化方面,捕获真实电池测试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至关重要。这些要求要求使用矩阵,而不是充当查找表的标量参数,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参数的优化过程。这一切都始于提出一个等价的电路架构,基于对系统的先前知识,我们相信可以代表真实系统的行为。
根据我们的经验,对等效电路进行了初步参数化。模拟是为了重现放电实验的条件,通常在受控温度环境下进行。
让我们先来看看实验数据。在25摄氏度的恒定温度下,一个31英寸的动力镍锰芯电池从一个充满电的状态一直放电到0 SOC。当电流从电池流出时,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物质的特征。
这个过程的目标是能够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。RC组合需要解释恢复的指数部分。作为SOC的功能,电压源必须提供正确的OCV。
此外,我们可以观察到响应是电荷水平的不同状态。因为我们没有直接控制充电状态,但它是状态的状态,随着我们丢弃电流的调整,我们需要允许所有参数都是查找表,而不是校正器来解释SOC依赖。
这是一个Simuli金宝appnk模型设计的这样的目的。一系列放电电流脉冲从这个块内的等效电路中提取,方法与在实验室中所做的相同。同时利用该电压传感器测量两端电压,并将优化器与实验测量的电压进行比较。
俯视锂离子电池块,我们可以看到具有电压源,内阻和单个RC对的简单等效电路。后来,我们将观察到,只有一个时间不足是捕获该特定单元格的所有动态。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,试图通过调整等效电路的参数来最小化模拟和实验数据之间的差异。这是使用称为Simulink设计优化的库完成的。金宝app此工具充当Simulink和Matlab优化功能之间的桥梁。金宝app
在左侧,我们可以看到要估计的四个参数。我们需要记住,它们中的每一个实际上是10个元素的向量,对应10级充电状态。其次,我们指定了每次估算的实验。我们始终建议至少有一个用于验证的独立测量的数据集。
当我们开始估计时,Simulink在又一遍地运行模型。金宝app而且每一次运行,它会评估它的目标是多远,即实验曲线。虽然它不够接近,但如果该更改改善了情况,则会对要估计的参数的值施加扰动。这是以非常有效的方式完成的,使用先进的优化算法。
目前的计算需要几分钟的时间来收敛,因此为了演示目的,我们将加快它的速度。
在右侧,我们可以看到参数的演变。每个颜色代表四等效电路元件中的一个。并且每种颜色内的每条线对应于特定的充电状态。
让我们评估一下最终结果。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,这种匹配显然还不够好。这是一个时间来评估有效性的等效电路拓扑,我们提出了在开始。
在某些情况下,很明显,指数电压弛豫比单一的时间常数指数曲线更复杂,这使我们相信等效电路需要更详细。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。因为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和的方程。
不需要超过三个指数项就能比以前更精确地拟合松弛。这表明三个RC元件是一个更好的选择,当涉及到选择等效电路拓扑。让我们试试。
该模型类似于我们之前看到的模型,但现在等效电路包含三个时间常数而不是一个。所计算的参数的数量现在为80,10,对于八个等价目标元素中的每一个。对于这个大的问题,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,允许我们毫不费力地执行此操作,通过选择选项中的并行计算使用。再次,我们将以加速的速度显示该过程以进行示范目的。以下是结果。
这一过程必须在任何有实验数据的温度下重复。使用此技术识别的每个参数向量将被堆叠起来,以构成查找表,该查找表稍后将对一般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。
为了总结,我们已经了解如何使用Simulink模型与Simulink组件结合金宝app使用等温放电数据,以找到描述给定锂离子电池单元的行为的最佳等效电路和参数。要执行此计算,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,通过实验测量、模拟和优化的结合来创建和参数化锂离子电池的等效替代品。我们开始提出一个等效电路拓扑和初始参数的猜测。我们还看到了MATLAB和Simulink是如何一起金宝app创建一个优化问题来计算参数值的。其结果是一个包含模拟真实电池行为的信息的电池块,并且它可以在任何基于所研究设备类型的储能安排的系统级模型中重用。
下一步来自这里是创建整个电池组的模型,并在其周围设计电池管理系统。这将是单独视频的主题。
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