動力電池組建模和控制仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3593動力電池組建模和控制仿真分析案例 [61]。特別在非電氣化鐵路運行的混合動力機車上，蓄電池作為車載能量源，提供負載系統(tǒng)所需的功率，其高能量密度的優(yōu)勢能夠保證車輛的長時間運行；在機車制動時將能量回收，并在牽引時提供部分動力源，其高功率密度的優(yōu)勢又能使車輛的動力性有一定的保證，并提高了燃油經(jīng)濟性。除此之外，與其他電池類型比較，溫度對鈦酸鋰電池的工作影響較小，其能夠在-50~60℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作，且不污染環(huán)境、穩(wěn)定安全、無記憶效應(yīng)，因此鈦酸鋰電池在混合動力系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中受到青睞。由于單體電池自身電壓與容量的限制，在容量超過一定限度時，需要按照串并聯(lián)成組形式進行使用。動力電池組選用6并180串的形式，具體參數(shù)如REF_Ref68722208\h表22。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12鈦酸鋰電池組主要參數(shù)TableSTYLEREF1\s2SEQTable\*ARABIC\s12Keyparametersoflithiumtitanatebatterybank指標參數(shù)電池組配置方式6P180S額定電壓423V電池組最大充放電電流694A電池組額定電量101.52kWh電池組額定容量240Ah電池組額定內(nèi)阻216m最大放電功率250kW電池類型鈦酸鋰電池鈦酸鋰電池組充放電建模分析選定鈦酸鋰電池為混合動力機車的動力電池的情況下，還要研究鈦酸鋰電池的充放電特性，并利用MATLAB/Simulink平臺，完成電池組仿真模型的設(shè)計。鈦酸鋰電池的開路電壓(OCV)與電池荷電狀態(tài)(SOC)呈正比關(guān)系。在25℃的環(huán)境中，二者的關(guān)系曲線如REF_Ref68723509\h圖220所示。若電池荷電狀態(tài)小于10%，單體開路電壓會出現(xiàn)大幅度下降的情況，最低將會達到2.28V；若電池荷電狀態(tài)處于10%-40%的范圍內(nèi)，單體開路電壓也會有所減小，但總體幅度不是很大；若電池荷電狀態(tài)處于40%-90%的范圍之中，單體開路電壓將會緩慢增加，而且電壓波動也較??；若電池荷電狀態(tài)達到90%及以上，則單體開路電壓將會迅速增大，最高能夠達到2.63V。故鈦酸鋰電池的荷電狀態(tài)需要控制在10%-90%的范圍之內(nèi)，并且考慮到鋰電池過充過放的特性，該范圍內(nèi)運行還能夠適當(dāng)增加電池組的使用壽命。然而在混合動力系統(tǒng)實際運行中，動力電池組的工作區(qū)間還需要根據(jù)機車工況條件，進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，進而在保障供電穩(wěn)定的同時，還能夠提高整車的經(jīng)濟性。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s120鈦酸鋰電池單體開路電壓(OCV)-荷電狀態(tài)(SOC)曲線FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s120Opencircuitvoltage(OCV)-chargestate(SOC)curveoflithiumtitanatebattery在25℃的環(huán)境中，鈦酸鋰電池單體在不同充放電倍率下的電壓、溫度變化曲線如REF_Ref68723539\h圖221。從圖中可知，鈦酸鋰電池在不同倍率的情況下進行充放電，電壓變化和溫度變化差異不大，說明該電池能夠在短時間內(nèi)進行大功率充放電。（a）不同放電倍率下電壓/溫升曲線（b）不同充電倍率下電壓/溫升曲線圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s121鈦酸鋰電池電壓與溫度和荷電狀態(tài)關(guān)系曲線FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s121Thevoltage/temperature-chargecurveoflithiumtitanatebattery圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s122電池單體低溫放電特性對比FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s122Characteristiccurvesoflithiumtitantebattery在低溫環(huán)境下，鈦酸鋰電池的放電特性曲線如REF_Ref68723576\h圖222所示。溫度為-20℃時，電池的放電容量保持在正常情況下的八成。因為混合動力機車運行環(huán)境溫度基本上是在±40℃范圍內(nèi)，低溫會影響電池內(nèi)部的電化學(xué)作用，如電池內(nèi)阻增加、開路電壓降低等。然而鈦酸鋰電池即使處于低溫環(huán)境下，其電池性能受到的負面影響也會大大減少，其低溫充放電性能是儲能系統(tǒng)能夠保障運行的穩(wěn)定性、較好的性能和容量的關(guān)鍵，滿足混合動力機車有時在惡劣線路條件下運行的需求。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s123動力電池組仿真模型放電電壓與容量關(guān)系曲線FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s123Dischargevoltagecapacitycurveofbatterypacksimulationmodel結(jié)合鈦酸鋰電池組實際參數(shù)和特性研究的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/Simulink仿真平臺對電池模塊進行擬合。從REF_Ref68723698\h圖223的曲線可知，動力電池組仿真模型的開路電壓與REF_Ref68723509\h圖220所示的電池單體OCV-SOC曲線基本符合，可以用于之后的研究。雙向DC/DC變換器控制研究混合動力機車儲能系統(tǒng)使用雙向DC/DC變換器來控制動力電池充放電，實現(xiàn)能量的雙向流動。本文選用雙向Buck-Boost變換器作為DC/DC變換器，其具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、電壓應(yīng)力小等優(yōu)點，適合用于中壓大功率應(yīng)用場合，且與整流器和逆變器易于結(jié)合，其電路拓撲如REF_Ref68724408\h圖224所示。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s124雙向Buck-Boost變換器電路FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s124BidirectionalBuck-Boostconvertercircuit若變換器處于Buck模式下工作時，根據(jù)開關(guān)管的通斷以及反向并聯(lián)二極管是否續(xù)流，可以將變換器分為兩種工作狀態(tài)，其等效電路如REF_Ref69808645\h圖225所示。（a）狀態(tài)一（b）狀態(tài)二圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s125Buck模式電路拓撲圖FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s125Buckmodecircuittopology如REF_Ref69808645\h圖225(a)所示，當(dāng)處于狀態(tài)一所示，開關(guān)器件導(dǎo)通，而關(guān)斷，反向并聯(lián)二極管、均不續(xù)流。此時高壓側(cè)經(jīng)由和電感與變換器低壓側(cè)形成能量通路，電感承受正向壓降，電感電流按照從高壓側(cè)到低壓側(cè)的方向呈線性增加，電感電流滿足如式REF_Ref69808805\h(236)所示關(guān)系。 (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s136)式中，——電感電流；——直流側(cè)電壓；——電池端電壓；——電池內(nèi)阻與線路寄生電阻之和。當(dāng)處于狀態(tài)二時，如REF_Ref69808645\h圖225(b)所示，開關(guān)器件、均處于關(guān)斷狀態(tài)，反向并聯(lián)二極管截止，導(dǎo)通和電感與低壓側(cè)形成能量通路。此時電感承受正向壓降，電感電流按照從高壓側(cè)到低壓側(cè)的方向呈線性減小，電感電流滿足如式REF_Ref69809023\h(237)所示關(guān)系。 (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s137)若變換器處于Boost模式下工作時，同樣可以依據(jù)開關(guān)管和反向并聯(lián)二極管的工作狀態(tài)，將變換器分為兩種工作狀態(tài)，其等效電路如REF_Ref69809608\h圖226所示。（a）狀態(tài)三（b）狀態(tài)四圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s126Buck模式電路拓撲圖FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s126Boostmodecircuittopology狀態(tài)三如REF_Ref69809608\h圖226(a)所示，開關(guān)器件、關(guān)斷，反并聯(lián)二極管載流，截止。和電感與變換器低壓側(cè)形成能量通路，此時電感承受反向壓降，電感電流按照從低壓側(cè)到高壓側(cè)的方向呈線性減小，電感電流滿足如式REF_Ref69809743\h(238)所示關(guān)系。 (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s138)狀態(tài)四如REF_Ref69809608\h圖226(b)所示，變換器低壓側(cè)經(jīng)由開關(guān)器件和電感形成能量通路，此時電感承受反向壓降，電感電流按照低壓側(cè)到高壓側(cè)的方向呈線性增加，電感電流滿足如式REF_Ref69809842\h(239)所示關(guān)系。 (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s139)雙向Buck-Boost變換器采用電流單環(huán)的控制方式，控制框圖如下圖。電流單環(huán)控制實現(xiàn)簡單，穩(wěn)定性好，對動力電池組的充放電電流進行控制，間接改變電池組的輸出功率，能夠很好地與PMSG-PWM配合工作，滿足混合動力機車運行過程中的需求。圖中，是電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，是調(diào)制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，是輸出電流與占空比的函數(shù)，為電流采樣環(huán)節(jié)。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s127Buck-Boost變換器單電流環(huán)控制框圖FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s127SinglecurrentloopcontrolblockdiagramofBuck-Boostconverter當(dāng)變換器工作時，動力電池組充放電的平均電流即為電感平均電流，電流內(nèi)環(huán)指令根據(jù)功率指令和電池電壓計算得到，再將指令值與實際采樣值進行限幅、比較和PI運算，得到合適的占空比，控制導(dǎo)通關(guān)斷，改變電流內(nèi)環(huán)給定值可實現(xiàn)變電流充放電。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s128DC/DC變換器電路拓撲與控制模塊FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s128DC/DCconvertercircuittopologyandcontrolmodule利用MATLAB/Simulink建立DC/DC變換器電路與控制，如REF_Ref70453043\h圖228。令電池以額定功率進行放電，在4s時變?yōu)殡姵爻潆姡?s