動力電池模擬器 動力電池模擬器的設(shè)計方案

本文主要是關(guān)于動力電池模擬器的相關(guān)介紹，并著重對動力電池模擬器的設(shè)計進行了詳盡的闡述。

動力電池

動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。其主要區(qū)別于用于汽車發(fā)動機起動的起動電池。 多采用閥口密封式鉛酸蓄電池、敞口式管式鉛酸蓄電池以及磷酸鐵鋰蓄電池。2018年7月31日，新能源汽車國家監(jiān)測與動力蓄電池回收利用溯源綜合管理平臺在北京啟動運行。

特點

高能量和高功率；

高能量密度；

高倍率部分荷電狀態(tài)下（HRPSOC）的循環(huán)使用；

工作溫度范圍寬（一30 ~65℃）；

使用壽命長，要求5—10 年；

安全可靠。

應用

汽車和摩托車行業(yè)。主要是為發(fā)動機的起動點火和車載電子設(shè)備的使用提供電能；

工業(yè)電力系統(tǒng)。用于輸變電站、為動力機組提供合閘電流，為公共設(shè)施提供備用電源以及通訊用電源；

電動汽車和電動自行車行業(yè)。取代汽油和柴油，作為電動汽車或電動自行車的行駛動力電源。

鋰動力電池

鋰鐵電池是2000年后由美國永備公司所推出來并得到成功市場化的新型綠色高能化學電源，在應用于需要的高能量高功率電源的電子設(shè)備和電動玩具方面，顯示了非常優(yōu)越的性能。在中等放電電流以上時，鋰鐵電池的放電時間可達堿錳電池的6倍左右；而與鎳氫電池相比，其放電電壓平臺，儲存時間具有顯著優(yōu)勢。

總的來說，鋰鐵電池具有以下突出優(yōu)點：

1、與堿錳電池的可互換性，在任何用途上都可以和堿性鋅錳電池相互換；

2、具有更長的工作時間和更高更平的工作電壓，尤其是在中等電流以上放電；

3、環(huán)保綠色電源，不使用任何汞、鉻、鉛等有毒物質(zhì)；

4、儲存性能好，放置期可以長達10年。

電池型號：LFB14505（AA）

放電容量：大于2700mAh（在1000mA放電電流下）

放電電壓：~1.45V（在200mA的放電電流下）

儲存壽命：10年

鎳氫充電電池

由于鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理復雜，環(huán)境受到污染，因此它將逐漸被用儲氫合金做成的鎳氫充電電池（Ni－MH）所替代。從電池電量來講，相同大小的鎳氫充電電池電量比鎳鎘電池高約1.5～2倍，且無鎘的污染，現(xiàn)已經(jīng)廣泛地用于移動通訊、筆記本計算機等各種小型便攜式的電子設(shè)備。 鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。 目前，更大容量的鎳氫電池已經(jīng)開始用于汽油/電動混合動力汽車上，利用鎳氫電池可快速充放電過程，當汽車高速行駛時，發(fā)電機所發(fā)的電可儲存在車載的鎳氫電池中，當車低速行駛時，通常會比高速行駛狀態(tài)消耗大量的汽油，因此為了節(jié)省汽油，此時可以利用車載的鎳氫電池驅(qū)動電動機來代替內(nèi)燃機工作，這樣既保證了汽車正常行駛，又節(jié)省了大量的汽油。

動力電池模擬器的設(shè)計方案

1 電池的荷電狀態(tài) 由電池的荷電狀態(tài)（ SOC） 可以估算出電池的剩余可 用容量，因此可以根據(jù)電池剩余容量占電池容量百分比對 其進行 表 示，把電池不能吸收能量這一狀態(tài)定義為 100% ，把電池不能放出能量這一狀態(tài)定義為 0% 。一般 電池 SOC 表達式如下［2-4］： SOC = SOC0 － ∫（ ibatt /C） dt （ 1） 式中，SOC0 是動力鋰離子電池的荷電狀態(tài)的初始電荷，C 為動力鋰離子電池的實際容量，ibatt 是電池負載的電流， SOC 是當前的荷電狀態(tài)。 1． 1 單體電池放電 鋰離子電池在不同溫度、充放電倍率、循環(huán)次數(shù)和電 池的老化程度下，放電電壓曲線是不同的，為了簡化研究 電池的難易程度，本文選取環(huán)境溫度為參考溫度，選取的 電池為 18650 鋰離子電池 2 900 mAh，放電倍率為 0． 4 C。 電池測試平臺選用美爾諾 M9712 系列直流電子直流負

載，它具有恒流、恒壓、恒功率和恒阻操作模式，配合 PC 配套軟件使用，上位機軟件可以設(shè)置為電池放電功能，可 以設(shè)置電池放電周期、電池安全電壓和計算電池放電容量 等功能。 在環(huán)境溫度下，放電倍率為 0． 4 C 恒流放電條件下， 單體電池電壓與放電時間的關(guān)系曲線如圖 1 所示。

從圖 1 中可以看出放電過程分為 3 個階段，第一個階 段為陡峰期，電池電壓瞬間從 4． 2 V 下降到 3． 8 V 左右， 緊接著進入平臺期，在此期間電池電壓有下降的趨勢，在 整個放電過程中占了將近 80% 以上的時間，當電池剩余 容量不到 10% 時，電池電壓再次出現(xiàn)陡峰期，電池放電時 間不到 5 min，電池電壓下降到 2． 7 V，放電截止［5］。 1． 2 動力鋰離子電池與開路電壓之間的關(guān)系 在環(huán)境溫度下，對鋰離子電池以 0． 4 C 恒流放電試 驗，計算出實際放出的容量，實驗中把實際放出的電量分 成 10 等份，每一等份釋放完就視為 SOC 下降了 10% ，每 當 SOC 下降了 10% 就靜止一定的時間，然后測量電池的 電壓，測量的電池電壓就視為電池的開路電壓，如圖 2 和 圖 3 所示［6-7］。

從圖 2、圖 3 中可以看出，每個階段電池電流變?yōu)榱?時，電池電壓緩慢上升，總體趨勢開路電壓是下降的，從測試的實驗數(shù)據(jù)中可以得出 OCV 與 SOC 之間的關(guān)系如表 1 所示。

可以將電池溫度變化率T ·、電壓 V、內(nèi)阻 r、SOC 變化率  ζ 表示為電流的函數(shù)： （ T · ，V，r，ζ · ） = f（ I） （ 12） 每一個單體電池的狀態(tài)初始值是不同的，常規(guī)意義上的電池模擬需要將電池模擬數(shù)量進行簡單的求和，這樣的模擬是不精確的。每一個單體電池都有對應的溫度信號、電壓信號、電流信號等，由傳感器進行信號采集。通過每一個單體電池也要模擬出真實電池的運行特性，這樣就會大大增加整個模型的運行時間。為了簡化模型的運行，模型中輸入的電流為一個矩陣，矩陣的數(shù)量為 （ I1，I2 ． ． ． In ） ，可以產(chǎn)生對應的 n 個矩 （ T · 1，V1，r1，ζ · 1 ） ，（ T · 2，V2，r2，ζ · 2 ） ． ． ． （ T · n，Vn，rn，ζ · n ） 。［（ T · 1，V1，r1，ζ · 1 ） ，（ T · 2，V2，r2，ζ · 2 ） ． ． ． （ T · n，Vn，rn，ζ · n ） ］ = f（ I1，I2 ． ． ． In ） ，如此，函數(shù) f（ …） 只需要運行一次。進行硬件在環(huán)測試的電池模型必須具有多元電池能力。一個電池模擬器能夠處理幾十個單體電池，但是模型的數(shù)據(jù)需要對成千上萬的單體電池進行模擬。這個模型需要有效地模擬多元化電池。使用概率密度來對電池的參數(shù)進行仿真。它使用一個不同的矩陣來生成電池的不均衡，電池模型用于硬件在環(huán)對不同參數(shù)的單體電池驗證。使用兩個普通的概率分布： 正態(tài)分布和卡方分布。正態(tài)分布如圖 8 所示，卡方分布如 圖9所示，用于產(chǎn)生單體電池電容和給定SOC開路電壓的函數(shù)。正態(tài)分布的特征是均值和標準偏差。 考慮到電池特性的偏差，這時每個電池的電流、內(nèi) 阻、初始 SOC 和 電 池 容 量 的 放 大 系 數(shù) 可 以 分 別 設(shè) 置 為：

式中 num 表示電池的數(shù)目，這就將 電池的輸入轉(zhuǎn)化為矩陣輸入，每一個輸入 值都存在微小的差異。 電池等效模型包括電壓源模型、二階 ＲC 模型，如圖 10 所示，而圖 11 是圖 10 子模型。 同一類型的電池都存在微小的差異， 能夠模擬幾十個到上千個電池，使用正態(tài) 分布和卡方分布參數(shù)差異化方法來模擬 數(shù)量龐大的電池，圖 12 是模擬 40 節(jié)電池 的放電曲線。

本文選擇了合適的電 池模型結(jié)構(gòu)，在不同放電倍率下辨識出了電池 的參數(shù)，通過提出的這些參數(shù)建立了數(shù)學模 型，最后通過 Simulink 仿真進行了驗證。 使用正態(tài)分布和卡方分布，提出了電池參 數(shù)的差異化，利用電池參數(shù)差異化對電池模擬 數(shù)量求和，從而具有由單體電池到模擬多元化 的能力。

結(jié)語

關(guān)于動力電池模擬器的相關(guān)介紹就都這了，如有不足之處歡迎指正。

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