電動(dòng)汽車鋰電池建模仿真

鄭博升 申彩英

摘 要：文章列舉了幾種常見(jiàn)的鋰電池等效模型 并選取戴維南模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)與建模仿真：對(duì)實(shí)驗(yàn)所選鋰電池進(jìn)行HPPC脈沖充放電實(shí)驗(yàn) 把試驗(yàn)得到的電壓、電流等數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行參數(shù)擬合得到電池的等效電阻和等效電容等參數(shù) 最后在Simulink中搭建等效電池模型進(jìn)行充放電仿真并驗(yàn)證模型的精確性 模型運(yùn)行的結(jié)果證明模型的最大誤差小于5% 平均誤差小于1%。

關(guān)鍵詞：鋰電池;參數(shù)辨識(shí);建模仿真

中圖分類號(hào)：U463.63+3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-12-02

Abstract： This paper enumerates several common equivalent models of lithium battery， and chooses Thevienen model to carry on parameter identification and Modeling simulation： carries on the HPPC pulse charge and discharge experiment to the Lithium Battery selected in the experiment， the parameters of the equivalent resistance and the equivalent capacitance of the battery are obtained by fitting the voltage and current data of the test in Matlab. Finally， the model of the equivalent battery is built in Simulink to simulate the charging and discharging， and the accuracy of the model is verified， the results show that the maximum error of the model is less than 5% and the average error is less than 1%.

Keywords： Lithium battery; Parameter identification; Modeling and simulation

CLC NO.： U463.63+3? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-12-02

引言

近年來(lái)隨著純電動(dòng)汽車在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的飛速發(fā)展 電動(dòng)車用鋰電池逐漸成為學(xué)術(shù)界重點(diǎn)研究對(duì)象 由于電池是一個(gè)黑箱系統(tǒng) 所以精確地建立等效模型 表征電池特性成為電動(dòng)汽車BMS系統(tǒng)中的重要部分。

1 常見(jiàn)的鋰電池等效模型及模型的選取

1.1 Rint

由理想電壓源與電阻串聯(lián)組成 該模型參數(shù)計(jì)算少、建模簡(jiǎn)單 通用性較高。缺點(diǎn)是模型精度低 無(wú)充放電電壓回彈。

1.2 戴維南

由一個(gè)理想電壓源、一個(gè)內(nèi)阻、一對(duì)并聯(lián)的極化電阻容之間串聯(lián)組成。考慮了電池極化反應(yīng) 該模型可模擬電池的充放電時(shí)端電壓變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1.3 PNGV

比戴維南模型多了個(gè)電池電容 表征負(fù)載電流引起的開(kāi)路電壓變化。能夠較好表征動(dòng)態(tài)特性。本文選用的模型為二階戴維南模型 如圖1。

UOC是開(kāi)路電壓 R0是等效內(nèi)阻 UP1、 UP2 為電池電化學(xué)極化電壓與濃差極化電壓 RP1、CP1和CP2、RP2分別為電化學(xué)極化阻容和濃差極化阻容 其端電壓表達(dá)式與狀態(tài)方程和離散化狀態(tài)方程為公式（1）、（2）。其中τ1、τ2表示兩個(gè)阻容環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

2 參數(shù)辨識(shí)

等效電路中的RC參數(shù)不能直接測(cè)量 但可以通過(guò)對(duì)充放電曲線擬合得到。針對(duì)二階模型 需要辨識(shí)UOC、R0、R1 、R2 、τ1、τ2。實(shí)驗(yàn)選用衡遠(yuǎn)新能源公司FLNCM-20鋰電池 額定容量19Ah 充放電截止電壓4.2V和2.8V。先將電池充滿并靜置12小時(shí) 取9個(gè)DOD（放電深度 即SOC = 0.1…0.9） 取的每一個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行HPPC試驗(yàn)：（1）進(jìn)行電流1C的10s充電;（2）擱置40s;（3）進(jìn)行10s電流0.75C的放電;（4）重復(fù)（1）～（3）步驟 至最后一個(gè)DOD。HPPC測(cè)試的電壓、電流變化如圖2所示：

取每一DOD所得到的端電壓曲線 如圖2所示 t1～t2、t2～t3、t3～t4分別為充電、靜置、放電。t1時(shí)刻電池RC環(huán)節(jié)由于已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期靜置 故UP1電壓為0 故U1～U2的變化只與內(nèi)阻R0有關(guān) 則該DOD內(nèi)阻R0為公式（3）;t4之后

RC環(huán)節(jié)零輸入 端電壓表達(dá)式為公式（4） 將其與（4）擬合 得到時(shí)間常數(shù)τ1、τ2;t3～t4內(nèi)RC環(huán)節(jié)零狀態(tài) 端電壓表達(dá)式為（5） 將其與（5）擬合 得到R1和R2。最終得到各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

3 建模仿真

根據(jù)表1參數(shù) 在SIMULINK中搭建等效模型 進(jìn)行HPPC測(cè)試得到的端電壓與實(shí)際HPPC測(cè)試的實(shí)驗(yàn)電壓進(jìn)行對(duì)比 電壓對(duì)比曲線、誤差率如圖3。等效模型仿真端電壓最大誤差小于5% 大部分過(guò)程小于0.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋰電池進(jìn)行HPPC測(cè)試 選取二階戴維南模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí) 在Simulink中搭建仿真模型 對(duì)仿真模型進(jìn)行相同工況HPPC測(cè)試 結(jié)果證明最大誤差小于5% 平均誤差小于1%。

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