基于rin模型的某80ah镍氢电池单体充放电特性分析

基于rin模型的某80ah镍氢电池单体充放电特性分析

联合混合动力将车辆状态与原动机（燃料或电池）状态分离，这在城市公交环境中是非常有价值的。燃料电池混合动力以其零排放、低噪声成为近期国内外的研究热点。燃料电池和镍氢电池是燃料电池混合动力中的两个动力源。镍氢电池在混合动力系统中提供动态峰值功率,吸收制动回收能量,对提高系统经济性和延长燃料电池使用寿命具有重要意义。为确保燃料电池混合动力系统的动力性和经济性,并使燃料电池输出功率变化平缓以减缓其性能衰退,需要确定镍氢电池的最佳工作范围。本文结合Rint模型对80Ah镍氢动力电池进行特性分析以确定此范围,并通过台架实验加以确认。180ah铜氢电池的特性1.1蓄电池充放电特性测试蓄电池Rint模型的数学表达式如式(1)—(3)所示。各参数受蓄电池SOC(stateofcharge)、充放电电流和蓄电池温度影响。U=Ut-RΙ；(1){R1=f1(SΟC,Ι,θ),Ι≥0；R2=f2(SΟC,Ι,θ),Ι<0；(2)Ut=f3(SΟC).(3)U=Ut−RI；(1){R1=f1(SOC,I,θ),R2=f2(SOC,I,θ),I≥0；I<0；(2)Ut=f3(SOC).(3)式中:U为蓄电池工作电压,Ut为蓄电池开路电压,I为蓄电池工作电流,R1为蓄电池放电内阻,R2为蓄电池充电内阻,SOC为蓄电池充电状态,θ为蓄电池温度。SOC的计算可参考文,此处仅考虑安时计量法,如式(4)和(5)所示。SΟC=SΟC0-∫t0ηΙ/Qdt；(4)η={η1,Ι≥0；η2,Ι<0.(5)SOC=SOC0−∫t0ηI/Qdt；(4)η={η1,η2,I≥0；I<0.(5)式中:SOC0为初始时刻SOC值,η1为蓄电池放电效率,η2为蓄电池充电效率,Q为蓄电池容量。以下研究对象为由10个镍氢电池单片串联组成的某80Ah镍氢电池单体。通过在不同蓄电池温度(-20℃,20℃,50℃)、不同充放电电流(27A,80A,160A,240A)下的蓄电池充放电实验,可以测得一系列充放电曲线,进而计算各个参数。在混合动力运行工况中蓄电池温度一般保持在常温附近,以下分析环境温度取20℃。1.2蓄电池放电效率图1显示,单体开路电压随蓄电池SOC单调升高,并随温度单调降低。在SOC=40%～80%的范围,温度对开路电压的影响并不大。当SOC<40%或SOC>80%时,开路电压随温度平均变化率为-8.9mV/K。所研究的燃料电池混合动力系统镍氢动力电池单元选用32节单体。实际混合动力系统中,为保障安全,会采取措施尽量减小蓄电池的温升,一般而言蓄电池实际温升将被控制在20℃以内,因此,总线电压受蓄电池温度变化而波动的幅度将小于5.7V。在此幅度内,总线电压对驱动电机的转矩和效率的影响都可以忽略不计。图2为10单体电池组常温下的放电内阻。常温下放电内阻受放电电流的影响较大。放电内阻随放电电流单调递减,当电流超过80A时趋于稳定。常温下放电内阻的范围是5～20mΩ。图3为常温下单体充电内阻。充电内阻受蓄电池SOC的影响较大。随蓄电池SOC增大,充电内阻先减后增,在SOC=40%～60%时取得极小值。充电内阻随电流增加稍有减小。常温下充电电阻的范围是4～12mΩ。蓄电池充电效率如图4所示,随SOC升高而降低,且随充电电流升高降低。在SOC=10%～60%的范围,充电效率受充电电流和SOC的影响较小,基本处于97%～99%的范围。对于80～160A之间的充电电流,SOC=80%～90%时,充电效率仍然保持在90%以上。而对于240A的充电电流,当SOC大于60%时,充电效率急剧降低。因此,充电时SOC应保持在60%以下,在此范围内可以达到高于97%的充电效率,并且尽可能以小于160A的电流充电,以保证当蓄电池SOC超过60%时仍然能够有较高的充电效率。此外,蓄电池大电流充放电会加快其温度升高。为确保系统安全,蓄电池放电电流应限制在240A以内。综上所述,为确保较高的蓄电池充电效率以及较小的充放电内阻,SOC应保持在40%～60%,充放电电流应处于-160～240A。在混合动力系统中,蓄电池应尽量工作在常温状态,并能在动态过程中提供动态功率,以减缓燃料电池的输出功率波动。2动态滤波模块测试燃料电池混合动力实验台如图5所示,由燃料电池发动机、DCDC、蓄电池、三相异步感应电机、DCAC逆变器、动态测功机和数采监控系统组成。各部件参数如表1所示。电机所需功率由燃料电池发动机和镍氢电池提供。能量管理算法决定驱动功率在两者之间的分配,由稳态分配模块和动态滤波模块组成,最终给出DCDC目标电流,以控制燃料电池输出功率。稳态分配模块决定稳态电机需求时的功率分配;动态滤波模块则限制燃料电池发动机输出功率的动态变化率。根据上述分析的蓄电池特性,在图6(Ibat为蓄电池稳态目标电流)所示的稳态分配模块中,蓄电池SOC平衡点设定为60%。根据文中的分析,当系统不带制动能量回馈功能时,蓄电池SOC将在低于60%的范围内浮动。动态滤波常数为5s,为一阶延迟环节。实验结果如图7—9所示。图7所示为根据实际车辆传动比折算的车速,符合中国城市公交典型工况。图8所示为实验中蓄电池SOC和充放电电流的变化情况。由于蓄电池管理系统设定的SOC的分辨率为1%,图中SOC波动并不明显,介于57%～58%之间;充放电电流大部分介于-100～200A之间,满足上述-160～240A的要求。由于充放电电流基本平衡,蓄电池的温度也较稳定,介于22～24℃。图9所示为该实验快速加载阶段中,燃料电池和镍氢电池间的实际功率分配。在动态滤波模块保护下,燃料电池输出功率以4.36kW/s的速率缓慢增加,蓄电池提供开始加速阶段的突增功率,起到保护燃料电池的作用。氢气流量计数据显示,该混合动力台架测试中,经济性达5.618kg/100km,好于目前所开发的实际车辆的经济性水平。3基于稳态分配+动态滤波的一种作为1)根据所研究的镍氢电池的特点,在燃料电池混合动力系统中,镍氢电池SOC应保持在40%～60%之间,充放电电流应处于-160～240A的范围,温度应维持在常温附近,以确保系统的安全性和经济性。2)台架实验显示,通过稳态分配+动态滤波的算法模式和恰当的参数匹配,整车控制器可以使镍氢电池工作在目标区域,使混合动力系统满足城市公交