【《锂离子动力电池组的建模分析案例》3600字】

锂离子动力电池组的建模分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30557锂离子动力电池组的建模分析案例 1278721.1锂离子电池单体模型 1301911.2二阶RC等效电路模型的建立 7282631.1.1SOC估计方法 763411.3电池组的建模及热量计算 9128771.3.1电池组的建模 9245711.3.2电池组热量计算 11234401.3.3电池组产热模型 121.1锂离子电池单体模型电池性能模型是用来描述电池的工作特性与电池工作影响因数之间的数学关系，它考虑了电池的内阻，循环充放电次数，电压，电流，SOC，功率等因数。目前国内外研究文献中常出现的电池模型有电化学模型、等效电路模型、神经网络模型、热模型电化学模型（1）电化学模型电化学模型是在电化学反应方程式的基础上并结合数学方法描述电池内部化学反应过程在实际生产应用中锂离子电池内部会发生一系列的反应这也导致了电化学模型的复杂性，学者大多使用的是简化了的电化学模型。电化学模型多用于研究电池内部工作机理和化学反应过程以及电池结构优化设计，常用的电化学模型有平均电极电化学模型[24]，多项式近似多孔电极电化学模型[25],单粒子电化学模型[25]。（2）神经网络模型神经网络模型是由大量简单的神经元相互连接形成的一个复杂的网络系统，是一个高度的非线性动力学系统。神经网络可以对大量原始数据进行训练，具有较强的自适应力和自学能力，适用于需要同时考虑多个因数和条件、不精确和模糊的信息处理问题因此神经网络模型可以用于电池模型如图1.1.1为一种常见的三输入两输出的神经网络电池模型图1.1.1神经网络电池模型（3）热模型电池在循环的充放电过程中会形成电流而电流的本质则是电子的定向移动，电流的产生会引起电池发热引起电池温度升高，温度对电池工作性能有着至关重要的影响因此研究人员利用电池的热模型来对电池的温度特性进行研究。根据不同原理可将电池热模型分为、热滥用模型

、电-热耦合模型。（4）等效电路模型电池的等效电路模型是目前应用最为广泛的模型它能很好的描述出电池的工作特性，等效电路模型无需对电池内部的化学反应深入研究，通过电阻、电容等器件组成的电路来描述电池工作时的开路电压、直流内阻、极化内阻，以实现对电池外特性的表征。电池极化主要由欧姆极化、电化学极化、浓差极化组成。欧姆极化是由电极材料、导电材料、连接阻抗形成的电池内阻引起的，电化学极化是由电化学反应引起的，浓差极化是由电极表面反应物消耗速率大于补充速率引起的。在等效电路模型中研究人员往往串联一个电阻来表征欧姆极化而电化学极化和浓差极化无法简单的通过电阻来表征，往往通过一阶或多阶RC电路来表征，下面解释几种常见的的等效电路模型。1）内阻等效电路模型该模型是将电池视为电阻和一电压源串联而成，是一种最简单的电池等效模型如图1.12。等效电路电压源E和电阻R随电池状态是时刻变化的。相关参数容易得到，建模仿真也容易实现但是该模型的精度不高，不能精确体现蓄电池特性在充放电工况变化时的过渡过程。根据基尔霍夫电压定律，内阻等效电路模型的电路响应可表示式1.11：U=U图1.1.2内阻等效电路模型UOCV代表电池开路电压，R0为电池欧姆内阻，U为端电压，I代表流过电池的电流2）PNGV等效电路模型PNGV模型在一阶模型的基础上串联了一个电容Cp用来描述负载的电流随时间累计产生的开路电压变化。PNGV模型比较适合模拟电池的动态性能但没考虑过充电过程，不适合对电池的长时间稳定充放电仿真。图1.1.3PNGV等效电路模型根据PNGV等效电路模型原理图可列出模型的状态方程：UP=1Us=1观测方程：U=UOCV−Rs:等效的极化内阻，Cs:等效的极化电容，Re:等效内阻，Cp3）Thevenin等效电路模型该模型也称之为一阶RC模型该模型是由一个包含电阻和电容的并联电路加上一个电压源共同组成。Rs和C图1.1.4Thevenin等效电路模型根据Thevenin等效电路模型可以列出电路响应的表达式：Us=1U=UOCV−Rs:等效的极化内阻，Cs:等效的极化电容，（4）二阶RC等效电路模型二阶RC模型，在一阶等效电路模型的基础上再串联一组RC回路，组成二阶RC等效电路模型如图1.15。二阶RC模型的优点在该模型通过一个串联电阻和两个RC电路表示电池的内部电阻和瞬态响应，很好地兼顾电池的稳态特性和暂态特性但该模型的没有考虑自放电和温度的影响。由图可列出电路响应表达式Us1=−1Us2=−1U=URs1,Rs2为等效的极化电阻，Re为等效内阻，图1.1.5二阶RC等效电路模型1.2二阶RC等效电路模型的建立因为二阶RC等效电路模型在实际应用中有较高的价值深受科研人员的喜欢，所以本文也在Matlab/Simulink中建立二阶RC等效电路模型。1.1.1SOC估计方法电池容量(SOC)是锂离子电池的主要特性参数之一，是用来反映电池的剩余容量，其在数值上定义为剩余电容量与电池容量之比。SOC可以过端电压，电流和电池的内阻等相关参数来估计。在电池管理系统领域内电流积分法及按时计量法是该领域内最为常用的SOC估算方法。其原理是在电池充电或放电的时候，累计电池增加或者减少的电量来估算电池的SOC，同时根据电池的放电率和温度对估算出的SOC进行一定的补偿,安时积分法表达式如（1.2）SOCt=SOCSOCt：某个时刻电池的电荷量，SOCt0：电池的初始电荷量，CN下图1.21为根据式（1.2）在Simulink中的建模。图1.21安时积分法建模本文以iNR18650-30Q三元锂离子电池为研究对象，并结合图1.15所示的二阶RC等效电路原理图在Matlab中利用Simspace模块进行建模得到二阶RC等效电路模型如下图1.22图1.22二阶RC等效电路模型

1.3电池组的建模及热量计算1.3.1电池组的建模本文以INR18650-30Q型号的电池为研究对象，INF18650-30Q是由三星公式研发生产的具有3000毫安时高倍率高容量3000mAh18650动力钴酸锂电池，适合较大放点电流的使用环境。具体参数详情请参考下表1.31表1.31型号SamsungINR18650-30Q额定电容量3000mAH额定电压3.6V放电终止电压1.5V最大连续放电电流15A形状64.85mm(L)×18.33mm(D)本文建立了两并两串的电池组模型如图1.3.1和已经四个电池单体串联的电池组模型如图1.3.2。图1.3.1两串两并电池组模型图1.3.2四串电池组模型1.3.2电池组热量计算在锂离子电池充放电过程中随着化学反应的发生，电池内部的锂离子不断的在正负极之间嵌入脱出这个过程会伴随着吸热和放热。电池热量的产生主要分为：反应热，焦耳热，机化热以及副反应热，电池总热量的公式为式（1.31）。Q=Qr+Qr：反应热，Qj：焦耳热，QpQr是反应热:是指在电池充放电过程中电化学反应过程里产生的热量，与反应过程中的嫡变有关，充电状态时，该值为负值（即吸收热量)，放电状态时，该值为正值（即释放热量)，反应热Qr的计算表达式如式子（Qr=nmQIn表示电池单体个数;m表示正负电极质量;Q表示电池正极电化学反应产生热量和负极电化学反应产生的热量的代数和;Ⅰ表示充放电电流大小，单位为A;M代表摩尔质量,单位为g/mol;F表示法拉第常数,其值为96484.5C/mol.Qj是焦耳热，因为电池的材料存在电阻，电流流经时便会产生热量，部分热量是不可逆的，在充放电过程当中均为正值，计算表达式为（1.Qj=IⅠ为电流强度，单位为A;RQp是极化热:由于电池的平均端电压与开路电压的差异，这部分压降而产生的热量即极化热。它与电池种类、电流大小、环境温度等有关。在充放电的状态下其值均为正值。在电池等效电路模型中会串联一个极化内阻Rp，用其产生的焦耳热来等效代替，计算表达式为（Qp=IⅠ为电流强度，单位为A;RQs为副反应热，该部分热量产量很小所以忽略不计。因为本文所采用的是二阶RC等效电路模型因为该模型是通过电阻、电容等器件组成电路来描述电池工作特性，因为电化学极化和浓差极化无法简单的通过电阻来表征所以本文研究的电池热量仅有焦耳热和欧姆极化热组成，所以此时的热量Q计算表达式为（1.Q=Qp+1.3.3电池组产热模型本文建立了两并两串电池组和由四个电池单体串联组成的电池组的产热模型。在二阶RC等效电路模型基础上结合式（1.25）在Matlab/simulink中建立如下模型如图1.3.3图