動(dòng)力鋰電池的等效模擬研究

為了準(zhǔn)確、有效地獲取內(nèi)部不同的參數(shù)和套接字，建立了電池等效電路模型。通過(guò)研究等效電路模型中每個(gè)電路源的屬性和參數(shù)，我們可以更準(zhǔn)確、有效地管理電池。鋰電池電壓高、容量大、自放電弱、質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)大,其本身的材料與特性研究也在不斷深入發(fā)展。2016年7月,麻省理工主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)公布新研發(fā)的鋰氧電池具備更輕的質(zhì)量、使用固態(tài)氧元素并自帶防過(guò)充機(jī)制,較鋰空氣電池具有明顯優(yōu)勢(shì),有望在電動(dòng)汽車領(lǐng)域推廣,解決續(xù)航里程及電池安全問(wèn)題。2016年美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)工程師團(tuán)隊(duì)通過(guò)被稱為硅碳氧化物的玻璃陶瓷夾,在化學(xué)或非化學(xué)改性的石墨烯片狀材料中,構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的電極,可廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。鋰電池在各領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入與過(guò)程復(fù)雜性的加強(qiáng),需要愈加完善的管理系統(tǒng)(BMS),其中電池等效模型及工作特性的研究至關(guān)重要。科研人員做了許多工作,得到很多有效的方法與結(jié)論,為鋰電池的應(yīng)用提供了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2016年等人提出一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)Thevenin模型,將經(jīng)典Thevenin模型中的固定參數(shù)描述為隨荷電狀態(tài)與溫度動(dòng)態(tài)變化的變量,實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確鋰電池性能描述。2016年福州大學(xué)針對(duì)純電動(dòng)汽車上動(dòng)力鋰電池等效模型參數(shù)辨識(shí)的問(wèn)題,以某純電動(dòng)汽車的由87個(gè)單體串聯(lián)的84Ah的鎳鈷錳三元鋰電池組為研究對(duì)象,選用了二階RC電池等效模型,辨識(shí)出初始開路電壓最大單體的絕對(duì)誤差平均值為3.62%,最小單體的絕對(duì)誤差平均值為3.24%,可運(yùn)用于工程實(shí)踐中。本文針對(duì)動(dòng)力鋰電池組設(shè)計(jì)選擇鋰電池等效模型方案,完成硬件系統(tǒng)制作和平臺(tái)搭建。并且運(yùn)用STM32開展系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)即實(shí)現(xiàn)電池的充放電,研究狀態(tài)檢測(cè)、估算和控制調(diào)節(jié)方法并在硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn),開展一系列實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所使用方法的效果及系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)。1理論研究1.1放電具有嚴(yán)格意義過(guò)充可能使電池內(nèi)壓變高,引起電池變形,造成漏液等危險(xiǎn)現(xiàn)象,工作性能效率大幅降低。電池過(guò)放極有可能造成難以挽回的后果,直接損傷電池,尤其是大電流過(guò)放、反復(fù)過(guò)放對(duì)電池影響更大,常通過(guò)確定放電電流的大小來(lái)間接控制放電截止電壓。利用電池測(cè)試設(shè)備來(lái)完成對(duì)鋰離子電池進(jìn)行的充放電實(shí)驗(yàn),相應(yīng)的開路電壓的特性實(shí)驗(yàn)和電池內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)一個(gè)完整可行的充放電制度的影響因素通常主要包括電壓、電流、溫度1.2電池內(nèi)阻等效模型研究利用常用的等效模型對(duì)鋰電池進(jìn)行等效模擬,可準(zhǔn)確便捷地了解到電池當(dāng)前的電荷狀態(tài)(SOC),然后比對(duì)幾種等效模型得到最適宜的方案(1)內(nèi)阻等效模型:以理想的電壓源來(lái)表示開路電壓,如圖1所示。其中U(2)RC等效模型:如圖2所示,這個(gè)模型由3個(gè)電阻外加2個(gè)電容所構(gòu)成,C由基爾霍夫第一定律(KCL)得式(2),由回路中的電壓KVL方程可得式(3)的方程組。式中參數(shù)含義在圖2中已標(biāo)出。(3)戴維南(Thevenin)等效模型:如圖3,其實(shí)是內(nèi)阻模型和RC模型模擬電路的整合。開路電壓U由式(4)可計(jì)算出R(4)PNGV等效模型:如圖4所示,此模型是由2001年的《PNGV電池測(cè)試手冊(cè)》中所提出的。該模型在戴維南模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)了一個(gè)電容C通過(guò)各項(xiàng)電壓KVL方程及電流的KCL方程整合得到式(6)的方程,極化電阻R內(nèi)阻模型簡(jiǎn)單,較容易測(cè)定各種參數(shù)和建模,有一定通用性,但對(duì)歸算電壓與SOC的精度不夠高,不能很好體現(xiàn)出鋰電池的工作特性以及充放電過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)的過(guò)渡過(guò)程。RC等效模型可控制電壓源巧妙地將兩個(gè)回路與V2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析2.1放電保護(hù)電路總體硬件設(shè)計(jì)框架是基于STM32設(shè)計(jì)的充放電系統(tǒng),如圖5所示。通過(guò)對(duì)電池充放電方案進(jìn)行實(shí)際操作,詳細(xì)分析降壓和整流得出結(jié)論,在實(shí)物的測(cè)試中檢查方案的可行性與準(zhǔn)確性。充電模塊須設(shè)計(jì)壓降電路將5V降壓為4.2V進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)選擇XL4015對(duì)充電電路進(jìn)行降壓控制,XL4015屬于開關(guān)降壓型DC-DC芯片,具有出色的線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率,輸出電壓范圍1.25～32V,內(nèi)部集成過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)模塊?；谠璛L4015降壓電路加了一個(gè)整流保護(hù)電路。放電模塊的設(shè)計(jì)用四個(gè)11Ω的電阻并聯(lián)分流放電。改變加入主電路電阻個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)放電量和時(shí)間,簡(jiǎn)單易行節(jié)省時(shí)間,可通過(guò)改變加入電阻控制放電倍率。若接入一個(gè)時(shí)放電倍率為1C,則兩個(gè)并聯(lián)為2C,三個(gè)為3C。由于單片機(jī)測(cè)量不能超過(guò)3.3V,電壓采集利用2個(gè)100kΩ串聯(lián)分壓,測(cè)量單個(gè)電阻電壓乘2便得到原電壓。電流采集電路選用MAX471搭建,原理如圖6所示。該芯片具有良好的高電流檢測(cè)功能,工作溫度范圍內(nèi)精度為2%,具有雙向檢測(cè)指示,可監(jiān)控充放電狀態(tài),有一個(gè)電流輸出端,可用一個(gè)電阻簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換,可工作在較寬的電壓電流范圍,滿足電流檢測(cè)需要的高精度和可靠性,誤差較小。SOC估算選擇了簡(jiǎn)單較精確的方法,利用《美國(guó)FreedomCAR電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中對(duì)SOC簡(jiǎn)單估算的原理,如式(7)所示,單片機(jī)在3.24V以上的穩(wěn)定工作狀態(tài):式中:U為當(dāng)前電壓;SOC最大為1;所以這個(gè)比即是當(dāng)前的SOC值,通過(guò)檢測(cè)誤差在0.1V左右。實(shí)物能基本完成對(duì)當(dāng)前電池SOC的估算顯示和電流電壓的檢測(cè)顯示。2.2ocv與soc的關(guān)系實(shí)驗(yàn)采用混合脈沖功率性能測(cè)試(HPPC),通過(guò)對(duì)模擬電路規(guī)律性地充放電實(shí)驗(yàn),記錄當(dāng)前的電池的SOC,模擬電路的開路電壓以及干路電流,再利用等效模擬電路的狀態(tài)方程獲取電路內(nèi)部參數(shù)通過(guò)對(duì)PNGV模型進(jìn)行HPPC實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究,可得到電池的等效電路在某個(gè)SOC節(jié)點(diǎn)上的電壓參數(shù)值及SOC與U放電實(shí)驗(yàn)在0.5C、0.75C、1C的放電倍率下對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流放電實(shí)驗(yàn),得到各放電倍率下電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖9所示。觀察曲線可得:放電倍率越大,放電量與放電速率越快,隨著SOC不斷下降,放電速度不斷加快。開路電壓與SOC的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)分別以0.5C、0.75C以及1C的放電倍率進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn),每當(dāng)放出0.1SOC的時(shí)候靜置30min再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn),并將此狀態(tài)下的電池電壓作為開路電壓,最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)再加以整理便得到了OCV與SOC的關(guān)系曲線,如圖10所示。由圖10可知在相同的SOC情況下,隨著放電倍率的提高,OCV下降的幅度會(huì)顯著提升。因各個(gè)方面條件的約束,這也并非絕對(duì),只是大致的方向判斷,SOC在0.8～0.2之間,電壓的值幾乎穩(wěn)定不變,當(dāng)電流值繼續(xù)減小或增加時(shí)線條才會(huì)逐漸向兩級(jí)靠攏,這是鋰電池充放電重要特性之一。對(duì)獲取參數(shù)計(jì)算并加以整理可以看出在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的某個(gè)SOC的值及在此時(shí)間上各個(gè)參數(shù)的變化值,如表1所示。通過(guò)各參數(shù)的計(jì)算和分析比較,不難看出在每個(gè)SOC的節(jié)點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)的值相差不大,得出目前的鋰電池充放電過(guò)程可以視為大致恒定的,從數(shù)據(jù)曲線走向能看出放電實(shí)驗(yàn)中電流越低放電量越大,而充電過(guò)程SOC越大則充電曲線越趨于平穩(wěn)。3基于hppc測(cè)試的思想政治模型驗(yàn)證本文主要是研究動(dòng)力鋰電池PNGV等效電路模型的構(gòu)建方法并完成實(shí)驗(yàn)