钛酸锂电池在电动车辆上的应用

钛酸锂电池在电动车辆上的应用

随着电动汽车（ev）的开发，电动汽车的性能作为电动汽车的核心，在车辆的安全和稳定性方面发挥着重要作用。经过多年的不断发展,锂离子电池凭借优秀的比能量,稳定的工作状态,较长的循环寿命而广泛应用于新能源车辆的设计中。钛酸锂电池又由于其优秀的大倍率充放电特性和更稳定的化学结构,成为新能源车辆动力电池的潜在选择在电池应用的设计阶段,一个准确的电池模型能够为其他部件的设计提供参考数据,大大简化设计周期与时间成本本文基于Butler-Volmer方程所描述的倍率与过电位之间的解析关系,建立了一种适用于宽倍率范围的钛酸锂电池模型,并用Modelica语言建模,在OpenModelica中进行仿真验证,为钛酸锂电池模型工业化应用打下基础。1过电位放电模型常用电学模型有:(1)戴维南模型(一阶RC模型)式中:U(2)二阶RC模型式中:U(3)具有滞后效应的电化学模型式中:h(t)为充放电引起的滞后电压值。滞后电压值存在式(4)这样的关系:式中:M,ε为常数;h(t常用的电学模型中戴维南(一阶RC)模型常作为其他改进模型的基础,如图1所示。以放电方向为正方向,由受控电压源、电阻RButlerVolmer方程从电池内部反应的角度解释了电池过电位与电流密度之间的关系,又称为稳态电化学极化方程式式中:R为摩尔气体常量;T为温度(K);F为法拉第常量;J根据《电化学原理》所述,式(7)为单电子反应的Butler-Volmer方程,并且一般有α≈0.5当电池处于固定荷电状态时,简化后的Butler-Volmer方程表示仅由电流激励引起的过电位变化,暗示电池从平衡态到非平衡态过程的完成。2测试流程及改进模型本文以三家公司生产的功率型钛酸锂电池为测试和分析对象,电池参数见表1。实验设备主要包括一台ArbinBT-2000测试设备、用于控制温度的温箱以及测试电池。在测试过程中,电池电压、电流均以1s记录,温度设定为25℃。为了获得钛酸锂电池的不同电流激励下的性能差异,制定了如图2所示的测试流程。容量测试旨在获得准确的电池容量,采用1C倍率进行充放电,充电制式为CCCV;OCV-SOC测试包括充电和放电两部分,均由360s的1C脉冲和1h的静置时间组成,在获得特性曲线的同时,也用于模型参数辨识;而选取电池的典型倍率进行的内阻测试及充放电测试的结果则作为改进模型的依据;FUDS工况测试结果作为验证数据集,用于模型精度的验证。3建模过程3.1倍率充放电优化能量型电池反应过程中极化主要由浓差极化构成,而功率型电池则主要由电化学极化构成。电化学极化在电场建立后随之产生,而浓差极化作为电子扩散为动力学主要步骤时的产物,需要比电化学极化更长的建立时间考虑到倍率变化所引起的非线性容量和恢复效应的根本原因在于倍率变化使电池反应过程发生变化,进而引起电池模型参数的改变在Butler-Volmer方程的简化实际基础上可得到式(10),其中U考虑到Butler-Volmer方程简化形式系数与荷电状态密切相关,本文基于倍率充放电测试结果,通过最小二乘法获得各个荷电状态下Butler-Volmer方程简化形式系数。鉴于不同倍率充电过程中电池从恒流充电转变为恒压充电时处于不同的荷电状态,且随着倍率的增加电池更早的进入恒压充电状态,因此本文Butler-Volmer方程系数的充电部分仅讨论SOC∈[10,75]。3.2ca建模软件简介多领域建模仿真是一种逐渐发展的统一建模语言仿真方法。Modelica语言是一种基于方程的陈述式建模语言,采用数学方程直接描述物理量之间的关系,具备代码简单,易于复用,逻辑关系清晰等优点OpenModelica是一款开源的,基于Modelica语言的建模仿真软件3.3图形化建模方式在进行复杂的动力系统、储能系统甚至整车的设计时,需要将系统中的各个模块连接在一起进行仿真,此时需要将钛酸锂电池模型封装为独立模块,利用图形化的方式进行后续建模。Modelica语言定义了连接器(connector),连接器一般有一个穿越变量以及一个横跨变量,穿越变量通常代表了一些保守量,如质量、动量、能量、电荷等等,横跨变量跨越部件时的增减值就是让部件运动的原因,如温度、压力和电压。通过定义电气领域的连接器可以告诉Modelica编译器,电流为穿越变量而电压为横跨变量,定义连接器能帮助Modelica语言编译器自动生成组件网络的守恒方程4不同功率钛酸锂电池的恒流工况仿真结果为了验证模型有效性,选择三款钛酸锂电池进行验证,这三款钛酸锂电池分别来自三个电池厂家。其中1号电池为铝塑膜封装,标称容量8.5Ah;2号电池为圆柱型封装,标称容量16Ah;3号电池为钢壳封装,标称容量为20Ah。由于不同厂家电池的材料配比与制作工艺不尽相同,所以三款电池的外电压特性也有所不同。图5为三款电池的SOC-OCV曲线,曲线的形状差异代表了电池内部材料配比的区别。同时在三款钛酸锂电池的充电和放电方向的SOC-OCV曲线几乎重合,因此无论充电还是放电条件下,荷电状态相同的钛酸锂电池都处于同一个平衡状态,印证了前文对于功率型电池恢复时间短的描述。三款电池的建模为同一理论基础—使用简化后的Butler-Volmer捕捉电流倍率对电池极化的影响,所以建模方法、模型方程、数据获取与辨识过程均相似,只是电池内部参数有所不同。为了验证模型的有效性,对三种功率型钛酸锂电池的高倍率恒流工况与FUDS动态工况中仿真电压与实验结果分别进行对比。图6为三种电池10C恒流放电工况验证结果,由于SOC-OCV曲线的差异,三款电池在相同倍率放电时会有不同的放电曲线,但三种电池的仿真结果均与实验数据具有高度的一致性。1号电池10C(85A)倍率放电过程中,模型仿真电压误差在240s之内小于20mV,在300s内小于30mV;对于2号电池10C(160A)放电过程,与1号电池具有类似的误差分布;而3号电池10C(200A)放电过程中电压误差同样小于30mV。对提出的模型进行进一步的验证,FUDS工况中电池仿真电压与实验数据同样具有高度的一致性。如图7所示,其中1号、2号电池在整个工况区间中最大误差均出现于电流激励为900～1800s之间且小于30mV;而3号电池在区间中的最大误差则出现在工况中后部且小于40mV。FUDS工况验证结果表明,不同材料体系的钛酸锂电池具有不同变化趋势的误差分布,但本文提出模型的误差均小于40mV,通过对三钛酸锂电池的建模体现了本文所提建模方法的有效性与适用性。5er-微模型本文提出了一种基于Butler-Volmer方程简化形式的功率型钛酸锂电池模型,该模型能够准确描述电池动态特性及倍率因素引起的差异。以三种材料体系的功率型钛酸锂电池为研究对象,本文从高倍率恒流工况和FUDS动态工况两个方面验证了模型的有效性,结果表明Butler-Volmer方程对三种典型电流具有高度的适用性,尤其对于高倍率附近小幅度变化的情况改善效果最佳。该模型不仅继承了电化学模型机理描述的优越性,同时具备电学模型结构简单的实用性,对倍率因素具有更好的鲁棒性,并且通过Modelica建模语言,将模型模块化封装,使其具有电气接口,可以与其他具有相同类型接口的动力系统控制模块直接连接,无论输入参数为电流还是电压,此模型均可计算得到符合模型方程约束的电池参数与电池状态。随着对电动汽车性能要求的提高,电池在