动力锂电池的等效模拟研究

动力锂电池的等效模拟研究

为了准确、有效地获取内部不同的参数和套接字，建立了电池等效电路模型。通过研究等效电路模型中每个电路源的属性和参数，我们可以更准确、有效地管理电池。锂电池电压高、容量大、自放电弱、质量轻、体积小的优势在各个领域持续扩大,其本身的材料与特性研究也在不断深入发展。2016年7月,麻省理工主导的研究团队公布新研发的锂氧电池具备更轻的质量、使用固态氧元素并自带防过充机制,较锂空气电池具有明显优势,有望在电动汽车领域推广,解决续航里程及电池安全问题。2016年美国堪萨斯州立大学工程师团队通过被称为硅碳氧化物的玻璃陶瓷夹,在化学或非化学改性的石墨烯片状材料中,构成三明治结构的电极,可广泛应用于航天航空领域。锂电池在各领域中应用的不断深入与过程复杂性的加强,需要愈加完善的管理系统(BMS),其中电池等效模型及工作特性的研究至关重要。科研人员做了许多工作,得到很多有效的方法与结论,为锂电池的应用提供了更坚实的基础。2016年等人提出一种动态系统Thevenin模型,将经典Thevenin模型中的固定参数描述为随荷电状态与温度动态变化的变量,实现更准确锂电池性能描述。2016年福州大学针对纯电动汽车上动力锂电池等效模型参数辨识的问题,以某纯电动汽车的由87个单体串联的84Ah的镍钴锰三元锂电池组为研究对象,选用了二阶RC电池等效模型,辨识出初始开路电压最大单体的绝对误差平均值为3.62%,最小单体的绝对误差平均值为3.24%,可运用于工程实践中。本文针对动力锂电池组设计选择锂电池等效模型方案,完成硬件系统制作和平台搭建。并且运用STM32开展系统软件部分设计即实现电池的充放电,研究状态检测、估算和控制调节方法并在硬件系统上实现,开展一系列实验,验证所使用方法的效果及系统的各项功能和性能指标。1理论研究1.1放电具有严格意义过充可能使电池内压变高,引起电池变形,造成漏液等危险现象,工作性能效率大幅降低。电池过放极有可能造成难以挽回的后果,直接损伤电池,尤其是大电流过放、反复过放对电池影响更大,常通过确定放电电流的大小来间接控制放电截止电压。利用电池测试设备来完成对锂离子电池进行的充放电实验,相应的开路电压的特性实验和电池内阻特性实验一个完整可行的充放电制度的影响因素通常主要包括电压、电流、温度1.2电池内阻等效模型研究利用常用的等效模型对锂电池进行等效模拟,可准确便捷地了解到电池当前的电荷状态(SOC),然后比对几种等效模型得到最适宜的方案(1)内阻等效模型:以理想的电压源来表示开路电压,如图1所示。其中U(2)RC等效模型:如图2所示,这个模型由3个电阻外加2个电容所构成,C由基尔霍夫第一定律(KCL)得式(2),由回路中的电压KVL方程可得式(3)的方程组。式中参数含义在图2中已标出。(3)戴维南(Thevenin)等效模型:如图3,其实是内阻模型和RC模型模拟电路的整合。开路电压U由式(4)可计算出R(4)PNGV等效模型:如图4所示,此模型是由2001年的《PNGV电池测试手册》中所提出的。该模型在戴维南模型的基础上串联了一个电容C通过各项电压KVL方程及电流的KCL方程整合得到式(6)的方程,极化电阻R内阻模型简单,较容易测定各种参数和建模,有一定通用性,但对归算电压与SOC的精度不够高,不能很好体现出锂电池的工作特性以及充放电过程中发生变化时的过渡过程。RC等效模型可控制电压源巧妙地将两个回路与V2系统设计与实验分析2.1放电保护电路总体硬件设计框架是基于STM32设计的充放电系统,如图5所示。通过对电池充放电方案进行实际操作,详细分析降压和整流得出结论,在实物的测试中检查方案的可行性与准确性。充电模块须设计压降电路将5V降压为4.2V进行充电。设计选择XL4015对充电电路进行降压控制,XL4015属于开关降压型DC-DC芯片,具有出色的线性调整率与负载调整率,输出电压范围1.25～32V,内部集成过流保护、过温保护、短路保护模块。基于原XL4015降压电路加了一个整流保护电路。放电模块的设计用四个11Ω的电阻并联分流放电。改变加入主电路电阻个数来调节放电量和时间,简单易行节省时间,可通过改变加入电阻控制放电倍率。若接入一个时放电倍率为1C,则两个并联为2C,三个为3C。由于单片机测量不能超过3.3V,电压采集利用2个100kΩ串联分压,测量单个电阻电压乘2便得到原电压。电流采集电路选用MAX471搭建,原理如图6所示。该芯片具有良好的高电流检测功能,工作温度范围内精度为2%,具有双向检测指示,可监控充放电状态,有一个电流输出端,可用一个电阻简单实现电流/电压转换,可工作在较宽的电压电流范围,满足电流检测需要的高精度和可靠性,误差较小。SOC估算选择了简单较精确的方法,利用《美国FreedomCAR电池实验手册》中对SOC简单估算的原理,如式(7)所示,单片机在3.24V以上的稳定工作状态:式中:U为当前电压;SOC最大为1;所以这个比即是当前的SOC值,通过检测误差在0.1V左右。实物能基本完成对当前电池SOC的估算显示和电流电压的检测显示。2.2ocv与soc的关系实验采用混合脉冲功率性能测试(HPPC),通过对模拟电路规律性地充放电实验,记录当前的电池的SOC,模拟电路的开路电压以及干路电流,再利用等效模拟电路的状态方程获取电路内部参数通过对PNGV模型进行HPPC实验结果研究,可得到电池的等效电路在某个SOC节点上的电压参数值及SOC与U放电实验在0.5C、0.75C、1C的放电倍率下对锂电池进行恒流放电实验,得到各放电倍率下电压与时间的关系曲线如图9所示。观察曲线可得:放电倍率越大,放电量与放电速率越快,随着SOC不断下降,放电速度不断加快。开路电压与SOC的标定实验分别以0.5C、0.75C以及1C的放电倍率进行放电实验,每当放出0.1SOC的时候静置30min再进行下一次实验,并将此状态下的电池电压作为开路电压,最终通过实验再加以整理便得到了OCV与SOC的关系曲线,如图10所示。由图10可知在相同的SOC情况下,随着放电倍率的提高,OCV下降的幅度会显著提升。因各个方面条件的约束,这也并非绝对,只是大致的方向判断,SOC在0.8～0.2之间,电压的值几乎稳定不变,当电流值继续减小或增加时线条才会逐渐向两级靠拢,这是锂电池充放电重要特性之一。对获取参数计算并加以整理可以看出在某个时间节点所对应的某个SOC的值及在此时间上各个参数的变化值,如表1所示。通过各参数的计算和分析比较,不难看出在每个SOC的节点上所对应的各项参数的值相差不大,得出目前的锂电池充放电过程可以视为大致恒定的,从数据曲线走向能看出放电实验中电流越低放电量越大,而充电过程SOC越大则充电曲线越趋于平稳。3基于hppc测试的思想政治模型验证本文主要是研究动力锂电池PNGV等效电路模型的构建方法并完成实验