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淺談混合脈沖功率特性測試在電池模型中的應(yīng)用
2020-11-21 13:03:29· 來源：AutoAero 作者：劉秀光
電池的電量估計(jì)和電池的均衡以及電池的充放電性能指標(biāo)都是電池應(yīng)用于各領(lǐng)域的重要研究課題，這些內(nèi)容的精確計(jì)算離不開電池模型。目前常用的電池模型有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
電池的電量估計(jì)和電池的均衡以及電池的充放電性能指標(biāo)都是電池應(yīng)用于各領(lǐng)域的重要研究課題，這些內(nèi)容的精確計(jì)算離不開電池模型。目前常用的電池模型有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、熱模型、電化學(xué)模型、等效電路模型等，其中應(yīng)用最廣泛的是等效電路模型。等效電路模型就是使用電壓源、電容、電感、電阻等簡單元件的串并聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來等效實(shí)際電池的外特性，如Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、Universal模型、RC模型等。
HPPC識別二階RC等效電路模型參數(shù)
1、二階RC模型電路圖
圖中：R0為等效歐姆內(nèi)阻；R1、C1分別為電化學(xué)極化電阻和電容；R2和C2分別為濃度差極化等效電阻和電容；Uoc為開路電壓
2、狀態(tài)方程及輸出方程的建立
以兩個(gè)極化電容兩端的電壓為狀態(tài)變量，以負(fù)載電流IL為輸入變量，端電壓UL為輸出變量建立狀態(tài)方程和輸出方程如下：
式中：τ1=Ｒ1C1，τ2=Ｒ2C2
3、HPPC測試簡介
混合脈沖功率特性測試是2003年發(fā)表的《FreedomCar功率輔助型混合電動(dòng)車電池測試手冊》中的一項(xiàng)內(nèi)容，它被用于體現(xiàn)動(dòng)力電池脈沖充放電性能。它的基本思想是使用一個(gè)周期性的脈沖對電池進(jìn)行放電、充電、靜置，這就相當(dāng)于在UL端接上一個(gè)可變的負(fù)載，它可以實(shí)現(xiàn)恒流充放電的工況同時(shí)還可以記錄端電壓UL隨時(shí)間的變化曲線。電路的基礎(chǔ)知識告訴我們，只有當(dāng)電路中的電流發(fā)生變化時(shí)，我們才能通過端電壓曲線判斷電容或電感的存在，如果使用一個(gè)恒定的電流激勵(lì)的話，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候是不能判斷電路是否含有電容的。
4、模型參數(shù)辨識
HPPC實(shí)驗(yàn)輸入電流和端電壓響應(yīng)示意圖
觀察端電壓隨時(shí)間的變化曲線不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)均包含階躍段（如t1電壓的階躍）和平滑的過渡段（t1-t2時(shí)間電壓的光滑過渡），聯(lián)系電阻和電容的特性可以得出：階躍段是歐姆內(nèi)阻R0造成的，當(dāng)電流從0變?yōu)?00A時(shí)，歐姆內(nèi)阻兩端電壓發(fā)生突變，導(dǎo)致外電壓有一個(gè)呈現(xiàn)階躍的壓降，于是R0=deltaU/I (deltaU=U1-U1’，I=100A)；電壓平滑過渡段是兩個(gè)RC環(huán)節(jié)造成的。電容兩端電壓通常來說是不能發(fā)生突變的，根據(jù)電容存儲(chǔ)能量公式W=1/2CU2，電壓的突變會(huì)造成能量的突變，而能量的突變意味著功率在瞬間達(dá)到無窮大，這在實(shí)際過程中不可能發(fā)生。因此，當(dāng)我們在電路中輸入一個(gè)恒定的電流時(shí)，電容會(huì)有一個(gè)緩慢充電的過程，過程中電容兩端電壓呈現(xiàn)指數(shù)增長，這會(huì)造成端電壓UL的指數(shù)下降，也就是t1-t2時(shí)間內(nèi)端電壓的下降。我們也可以在其他的時(shí)間段內(nèi)得出類似的結(jié)論。
極化電壓U1、U2由下式計(jì)算得出：
其中U1(0)和U2(0)分別表示兩個(gè)電容的初始儲(chǔ)能電壓，初始時(shí)為零?？梢缘玫诫姵貎?nèi)部總共的極化電壓Up計(jì)算表達(dá)式如下：
將上式代入到輸出方程我們就得到了UL隨時(shí)間變化的關(guān)系式，結(jié)合HPPC測試得出的曲線，通過曲線擬合的方法，可以求出模型參數(shù)R1、C1、R2、C2。
5、某磷酸鐵鋰電池的參數(shù)辨識結(jié)果如下
6、22℃下模型電壓響應(yīng)與相同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比
其中，混合動(dòng)力脈沖測試是模型仿真數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的對比，DST和FUDS測試是用來測試模型的魯棒性，可以看出該模型電壓曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。
HPPC識別二階RC等效電路模型參數(shù)
1、二階RC模型電路圖
圖中：R0為等效歐姆內(nèi)阻；R1、C1分別為電化學(xué)極化電阻和電容；R2和C2分別為濃度差極化等效電阻和電容；Uoc為開路電壓
2、狀態(tài)方程及輸出方程的建立
以兩個(gè)極化電容兩端的電壓為狀態(tài)變量，以負(fù)載電流IL為輸入變量，端電壓UL為輸出變量建立狀態(tài)方程和輸出方程如下：
式中：τ1=Ｒ1C1，τ2=Ｒ2C2
3、HPPC測試簡介
混合脈沖功率特性測試是2003年發(fā)表的《FreedomCar功率輔助型混合電動(dòng)車電池測試手冊》中的一項(xiàng)內(nèi)容，它被用于體現(xiàn)動(dòng)力電池脈沖充放電性能。它的基本思想是使用一個(gè)周期性的脈沖對電池進(jìn)行放電、充電、靜置，這就相當(dāng)于在UL端接上一個(gè)可變的負(fù)載，它可以實(shí)現(xiàn)恒流充放電的工況同時(shí)還可以記錄端電壓UL隨時(shí)間的變化曲線。電路的基礎(chǔ)知識告訴我們，只有當(dāng)電路中的電流發(fā)生變化時(shí)，我們才能通過端電壓曲線判斷電容或電感的存在，如果使用一個(gè)恒定的電流激勵(lì)的話，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候是不能判斷電路是否含有電容的。
4、模型參數(shù)辨識
HPPC實(shí)驗(yàn)輸入電流和端電壓響應(yīng)示意圖
觀察端電壓隨時(shí)間的變化曲線不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)均包含階躍段（如t1電壓的階躍）和平滑的過渡段（t1-t2時(shí)間電壓的光滑過渡），聯(lián)系電阻和電容的特性可以得出：階躍段是歐姆內(nèi)阻R0造成的，當(dāng)電流從0變?yōu)?00A時(shí)，歐姆內(nèi)阻兩端電壓發(fā)生突變，導(dǎo)致外電壓有一個(gè)呈現(xiàn)階躍的壓降，于是R0=deltaU/I (deltaU=U1-U1’，I=100A)；電壓平滑過渡段是兩個(gè)RC環(huán)節(jié)造成的。電容兩端電壓通常來說是不能發(fā)生突變的，根據(jù)電容存儲(chǔ)能量公式W=1/2CU2，電壓的突變會(huì)造成能量的突變，而能量的突變意味著功率在瞬間達(dá)到無窮大，這在實(shí)際過程中不可能發(fā)生。因此，當(dāng)我們在電路中輸入一個(gè)恒定的電流時(shí)，電容會(huì)有一個(gè)緩慢充電的過程，過程中電容兩端電壓呈現(xiàn)指數(shù)增長，這會(huì)造成端電壓UL的指數(shù)下降，也就是t1-t2時(shí)間內(nèi)端電壓的下降。我們也可以在其他的時(shí)間段內(nèi)得出類似的結(jié)論。
極化電壓U1、U2由下式計(jì)算得出：
其中U1(0)和U2(0)分別表示兩個(gè)電容的初始儲(chǔ)能電壓，初始時(shí)為零?？梢缘玫诫姵貎?nèi)部總共的極化電壓Up計(jì)算表達(dá)式如下：
將上式代入到輸出方程我們就得到了UL隨時(shí)間變化的關(guān)系式，結(jié)合HPPC測試得出的曲線，通過曲線擬合的方法，可以求出模型參數(shù)R1、C1、R2、C2。
5、某磷酸鐵鋰電池的參數(shù)辨識結(jié)果如下
6、22℃下模型電壓響應(yīng)與相同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比
其中，混合動(dòng)力脈沖測試是模型仿真數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的對比，DST和FUDS測試是用來測試模型的魯棒性，可以看出該模型電壓曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。
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