模型搭建背景
隨著新能源發(fā)電及電動汽車等的快速發(fā)展,儲能的應(yīng)用也越來越廣泛。在進行仿真建模時,如何搭建一個準(zhǔn)確的電池單體模型變得十分重要。
電池是一個非線性時變系統(tǒng),輸出與輸入不成正比,在電池使用過程中,電池的數(shù)據(jù)參數(shù)變化很難找到其普遍的規(guī)律,所以在這種情況下對電池進行建模就顯得非常的重要。電池模型建模的方法大抵可以分為理論分析法和試驗分析法。
根據(jù)電池的內(nèi)部工作原理,通過理論分析法可以推導(dǎo)出電池的動態(tài)伏安特性方程。 然而,由于電池內(nèi)部的繁瑣物理和化學(xué)變化,這種理論分析方法難以在實際生產(chǎn)和生活中廣泛使用。試驗分析的方法的操作流程是收集電池的輸入輸出信號數(shù)據(jù),根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)創(chuàng)建等效電池模型并對所創(chuàng)建的電池模型進行參數(shù)辨識的處理,這種方法在實際生產(chǎn)中可操作性較強,比起理論分析法,實驗分析法得以廣泛使用。
等效電路模型一般由電阻、電容和電壓源等電路元件構(gòu)成,此電路模型可用于模擬電池的動態(tài)特性。普遍使用的等效電路模型,大部分是由時域分析法建立的,時域分析法通過電池電流和電壓等參數(shù)對電池進行等效電路模型搭建與分析。典型的等效電路模型有Rint模型(內(nèi)阻模型)、Thevenin模型(戴維寧模型)、RC模型、和 PNGV模型等。
Rint模型(內(nèi)阻模型)
Rint模型由美國愛達(dá)荷國家實驗室設(shè)計,模型將電池等效為理想電壓源Uoc(開路電壓)與電池內(nèi)阻R 的串聯(lián),開路電壓Uoc是SOC和溫度函數(shù)。內(nèi)阻等效電路模型是最簡單的等效電路模型,由一個非線性電壓源和一個電阻串聯(lián)構(gòu)成,電壓源和電阻隨電池狀態(tài)而不斷變化,參數(shù)的辨識容易,但精度不高,且不能體現(xiàn)電池極化和極化消去過程中電池的動態(tài)特性。
Rint模型(內(nèi)阻模型)等效電路
Thevenin模型(戴維寧模型)
Thevenin模型也稱為一階RC模型,是較常用的等效模型之一,如圖所示,Thevenin模型在Rint模型的基礎(chǔ)上增加了關(guān)于電池極化的因素考慮,在該模型中Uoc 為理想電壓源,Ro為電池的歐姆內(nèi)阻,Rp為電池的極化內(nèi)阻,Cp為極化電容。一般認(rèn)為Thevenin模型中的開路電壓OCV是隨時變化的,所以模型中的電容可以通過OCV-SOC的關(guān)系來替代。Thevenin相較于內(nèi)阻模型,能夠模擬出電池的動態(tài)過程。
Thevenin模型(戴維寧模型)等效電路
PNGV模型
PNGV模型是美國新一代汽車合作計劃在2001年《PNGV電池試驗手冊》中的標(biāo)準(zhǔn)電池模型,也沿用為2003年《FreedomCAR電池試驗手冊》中的標(biāo)準(zhǔn)電池模型。PNGV模型相較于一階RC模型,用理想電壓源來描述電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓UOC,增加了一個用來描述負(fù)載中電流累計產(chǎn)生的開路電壓變化的電容Cs,電容Cs模擬了電池的容量。PNGV模型的內(nèi)阻參數(shù)(Ro+Rp)具有效為明確的物理含義,在不同溫度下辨識得到的參數(shù)值與同等溫度下電池直流內(nèi)阻比較吻合。模型中Ro、Rp和Cp隨SOC與溫度的變化,這些參數(shù)可以通過模型參數(shù)辨識實驗,測得不同條件下的數(shù)值求平均值來近似計算。
PNGV模型(戴維寧模型)等效電路
二階、三階RC模型
二階RC模型是最常用的電池等效電路模型,模型包括一個非線性電壓源和兩個RC環(huán)節(jié),與一階RC模型相似,用非線性電壓源來描述電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓UOC,用歐姆內(nèi)阻R0以及電阻Rp、Rs與電容Cp、Cs并聯(lián)環(huán)節(jié)來描述瞬態(tài)響應(yīng)。雙極化模型通過兩個RC回路能夠更好的模擬電池的動態(tài)過程,兼顧電池的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。三階RC模型在二階RC基礎(chǔ)上增加了一組RC電路,增加了等效模型精度,但是使用時各參數(shù)辨識相對也更困難。
二階RC模型等效電路
三階RC模型等效電路
仿真模型
針對常見的一階RC、二階RC以及三階RC模型,搭建simulink物理模型及數(shù)學(xué)模型,并進行相同參數(shù)下結(jié)果對比,驗證數(shù)學(xué)模型正確性;相較于物理模型,數(shù)學(xué)模型參數(shù)設(shè)置相對更加靈活,為增加準(zhǔn)確性,其中各元器件參數(shù)還可設(shè)置成根據(jù)溫度或soc等曲線查表得到的變化的數(shù)值。
給定物理模型和數(shù)學(xué)模型相同的參數(shù),并進行脈沖充放電測試,模型及仿真結(jié)果如下:
一階RC模型
給定開路電壓Uo為4V,脈沖電流幅值為100A,電阻R0=0.001Ω,R1=0.001Ω,電容C1=10f。
一階RC等效仿真模型
一階RC等效仿真數(shù)學(xué)模型
一階RC模型仿真結(jié)果
二階RC模型
給定開路電壓Uo為4V,脈沖電流幅值為100A,電阻R0=0.001Ω,R1=0.001Ω,R2=0.001Ω,電容C1=10f,C2=10f。
二階RC等效仿真模型
二階RC等效仿真數(shù)學(xué)模型
二階RC模型仿真結(jié)果
三階RC模型
給定開路電壓Uo為4V,脈沖電流幅值為100A,電阻R0=0.001Ω,R1=0.001Ω,R2=0.001Ω,R3=0.001Ω,電容C1=10f,C2=10f,C2=10f。
三階RC等效仿真模型
三階RC等效仿真數(shù)學(xué)模型
三階RC等效模型仿真結(jié)果
通過仿真結(jié)果可以看出三種RC模型仿真結(jié)果基本上一致,通常使用時一般選取二階RC模型就可以滿足需求,另外通過數(shù)學(xué)模型的搭建方式,可增加參數(shù)設(shè)置的靈活性。
審核編輯:劉清
-
等效電路
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
290瀏覽量
32661 -
Simulink
+關(guān)注
關(guān)注
22文章
517瀏覽量
62056 -
儲能
+關(guān)注
關(guān)注
11文章
1398瀏覽量
32692 -
儲能電池
+關(guān)注
關(guān)注
1文章
466瀏覽量
18026 -
開路電壓
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
36瀏覽量
12547 -
脈沖電流
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
68瀏覽量
12389
原文標(biāo)題:基于simulink的電池(儲能)模型仿真
文章出處:【微信號:simulinker賽博科技,微信公眾號:simulinker賽博科技】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論