【锂离子动力电池组的建模分析3300字】

锂离子动力电池组的建模分析 1 1 5 5 7 7 8 91.1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(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R(内阻)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(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:工十32)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：图Cr:述随着负载电流的时间累计而产生的开路电压的变化，3)Thevenin等效电路模型电压源共同组成。R:和C构成的回路来模拟电池的动态过程。Thevenin等效电路模型的优点在于它考虑到了电动势与SOC的关系和电池的动态过程，可以较为准确的模拟电池充放电过程，但是由于没有将电流随着时间的累计造成的开路电压变化，过充与图4Vin效电路模型(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5考虑自放电和温度的影响。由图可列出电路响应表达式Rs1,R₂为等效的极化电阻，R.为等效内阻，电图1.1.5二阶RC等效电路模型Cs2为等效极化因为二阶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。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)SOC::某个时刻电池的电荷量，SOCto:电池的初始电荷量，额定容量，I为充放电流，正表示充电，负表示放电，ni:为充放电效率。CN:电池的6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图1.22二阶RC等效电路模型71.3电池组的建模及热量计算本文以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型号额定电压放电终止电压最大连续放电电流形状3如图1.3.2。81.3.2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)。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Q的计算表达式如式子(1.32)。Qi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(1.33)I为电流强度，单位为A;R为电池的内阻Q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计算表达式为(1.34)Qs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(1.35)9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1.3.3①①H图1.3.3电池单体产热模型将每个电池单体产生的热量进行相加并通过ConvectiveHeatTransfer模块来模拟每个电池单体之间释放热量对相邻电池的温度的影响。假