電池的等效模型仿真應(yīng)用研究

李 彬，程為彬*，李 杰，張春麗，田建軍

（(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司吐哈事業(yè)部，新疆 吐魯番 838202）

0 引言

電池是新能源領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，被廣泛應(yīng)用于生活和科研中。在使用過(guò)程中，電壓是不斷變化的，而仿真軟件中的直流源均是恒壓輸出的，僅相當(dāng)于實(shí)際電池的滿電狀態(tài)。在電池作為供電電源的電路仿真實(shí)驗(yàn)中，若需要考慮電壓變化、充放電時(shí)間等因素，則非常需要一種符合電池特性且滿足電路仿真要求的電池模型。

目前應(yīng)用于仿真的電池等效模型有 Rint 模型、Thevenin 模型、PNGV 模型、GNL 模型和 CR 模型等[1]，這些模型重點(diǎn)在于分析電池的充放電特性、自放電與過(guò)充電對(duì)電池的影響等方面。

1 鉛酸蓄電池等效電路模型分析

文獻(xiàn)[2]從精度、結(jié)構(gòu)、參數(shù)辨識(shí)度和影響因素這四個(gè)方面對(duì)目前的五種等效電路模型進(jìn)行了比較，得出了 GNL 模型精度非常高的結(jié)論，文獻(xiàn)[3]通過(guò)這個(gè)結(jié)論提出了一種集合各模型優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)模型，但這些模型都結(jié)構(gòu)復(fù)雜且起始電壓為 0 V，無(wú)法保障有工作電壓要求的電路正常仿真。

圖1所示的是根據(jù)鉛酸蓄電池的充放電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，建立的一種鉛酸蓄電池等效電路模型。該模型形象地描述了鉛酸蓄電池在充放電過(guò)程中電壓的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行不同倍率充放電實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立各模型參數(shù)與荷電狀態(tài)（SOC）之間的函數(shù)關(guān)系，再對(duì) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練以實(shí)現(xiàn) SOC 的精確估計(jì)，最后結(jié)合鉛酸蓄電池充放電模型和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)鉛酸蓄電池充放電過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真與實(shí)際結(jié)果相一致，從而驗(yàn)證了模型的正確性[4]。鉛酸蓄電池的等效電路模型符合電池單體特征，有利于對(duì)電池進(jìn)行機(jī)理分析，但缺點(diǎn)是該模型作為仿真電路中的動(dòng)力源時(shí)，起始電壓為 0 V，在仿真電路對(duì)工作電壓有要求時(shí)，電路的仿真將無(wú)法正常進(jìn)行。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)出帶電壓閾值的電池仿真模型。

圖1 鉛酸蓄電池的等效電路模型

2 帶電壓閾值的電池仿真模型設(shè)計(jì)

2.1 SOC 估計(jì)數(shù)學(xué)模型

電池的 SOC 描述電池的電荷剩余狀態(tài)，用電池的 SOC 估計(jì)方法可確定電池?cái)?shù)學(xué)模型。美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）在其《電動(dòng)汽車電池使用手冊(cè)》中定義 SOC 為：

其中，QC為電池剩余電量，CI為電池在以恒定電流I放電時(shí)所具有的容量。

SOC 估計(jì)方法有很多種，其中電量累積法檢測(cè)SOC 較簡(jiǎn)單，是測(cè)量裝置上應(yīng)用最普遍的方法[5-8]。電量累積法是通過(guò)累積電池在充電或放電時(shí)的電量來(lái)估計(jì)電池的 SOC。基本原理是：

其中：SOC0為初始狀態(tài)，CN為額定容量，I為電流，η為充放電效率。

仿真實(shí)驗(yàn)中，充放電為理想狀態(tài)，充放電效率η為 100%，假定電池以恒定電流I放電時(shí)所具有的容量CI和額定容量CN相等，那么，利用電量累積法進(jìn)行模型 SOC 估計(jì)，并結(jié)合公式(1)和公式(2)可推導(dǎo)出電池?cái)?shù)學(xué)模型如公式(3)所示：

其中，Qt為電池動(dòng)態(tài)電量，Q0為電池初始電量，Ib(t)為電池充放電電流，Ib(t)＞0 時(shí)表示電池充電，Ib(t)＜0 時(shí)表示電池放電。

2.2 帶電壓閾值的仿真電路模型設(shè)計(jì)

在電路仿真實(shí)驗(yàn)中，電路都有其正常工作的電壓范圍，若供電電源起始電壓低于正常工作最小電壓，那么電路將無(wú)法運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)電池仿真模型時(shí)，應(yīng)滿足電池的充放電特性，同時(shí)需要保證電池等效模型在任意時(shí)刻的輸出電壓均大于電路正常工作所需的電壓下限值。

根據(jù)電池內(nèi)電極—電解質(zhì)界面面積很大這一特性，可以將電池等效為一個(gè)大電容串聯(lián)一個(gè)小電阻的回路。研究表明：當(dāng)電池的荷電態(tài)在 50%以上時(shí)，等效的串聯(lián)電阻 R 幾乎是不變的，只是在荷電態(tài)為 50%以下時(shí)才開(kāi)始迅速增加[9]。因此當(dāng)蓄電池模型設(shè)置的初始電荷量Q0在額定電量的 50%以上時(shí)，等效模型只需讓大電容串聯(lián)一個(gè)固定的小電阻。由此，建立帶電壓閾值的電池仿真模型如圖2所示。

該模型由理想電壓源 E、二極管 D、電池內(nèi)阻R、儲(chǔ)能電容 C 組成，其中U為電池的端電壓，理想電壓源 E 為模型開(kāi)路電壓并保證模型的最低電壓，二極管 D 用于在模型端電壓高于開(kāi)路電壓時(shí)隔離電池 B 的反向電流。

圖2 電池的等效仿真模型

3 模型充放電特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過(guò) SOC 估計(jì)方法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以及MATLAB 仿真方法驗(yàn)證了：鉛酸蓄電池等效電路模型的優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確地描述了電池充放電過(guò)程中電量的動(dòng)態(tài)變化。對(duì)比鉛酸蓄電池等效電路模型和帶電壓閾值的電池仿真模型的充放電過(guò)程，分析電壓變化的時(shí)域曲線，若兩種模型在有效工作電壓范圍內(nèi)充放電特性一致，那么可以判定帶電壓閾值的電池仿真模型符合電池的特性。

對(duì)以上兩種電池的等效電路模型進(jìn)行同壓同流充電、同負(fù)載供電的仿真實(shí)驗(yàn)，以額定電壓 12 V電池為例，閉合充電開(kāi)關(guān)后兩種模型從開(kāi)路切換至充電狀態(tài)，電池的電壓變化時(shí)域曲線如圖3所示。由圖3可知，兩種模型的充電特性一致，那么可以說(shuō)明該模型從開(kāi)路狀態(tài)切換為充電狀態(tài)的充電特性符合電池特性。

圖3 兩種模型充電時(shí)電壓的時(shí)域曲線

當(dāng)電壓充至上限，斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)，閉合供電開(kāi)關(guān)，以上電池模型電壓變化的時(shí)域曲線如圖4所示，可看出：兩種模型從滿電狀態(tài)到電壓為 6.4 V的過(guò)程中放電特性一致，而帶電壓閾值的電池仿真模型設(shè)定的電壓下限為 6.4 V，所以該模型端電壓降到 6.4 V 后保持不變。

圖4 兩種模型放電時(shí)電壓的時(shí)域曲線

通過(guò)模型充放電的電壓時(shí)域曲線對(duì)比可知：在有效工作電壓范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的電池仿真等效模型與鉛酸蓄電池等效電路模型的充放電特性一致。

4 結(jié)論

本文所提出的電池等效模型的充放電特性與鉛酸蓄電池等效電路模型的充放電特性相一致，它既能描述電池在其有效工作電壓范圍內(nèi)的充放電過(guò)程的電壓動(dòng)態(tài)變化特性，又能保障仿真電路在其有效工作電壓內(nèi)運(yùn)行。

[1] 林成濤, 仇斌, 陳全世.電流輸入電動(dòng)汽車電池等效電路模型的比較[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2005,41(12): 76-81.

[2] 林成濤, 仇斌, 陳全世.電動(dòng)汽車電池功率輸入等效電路模型的比較研究[J].汽車工程, 2006,28(3): 229-234．

[3] 賈玉健, 解大, 顧羽潔, 等.電動(dòng)汽車電池等效電路模型的分類和特點(diǎn)[J].電力與能源, 2011,32(6): 516-521.

[4] 趙軒, 康留旺, 馬建, 等.鉛酸蓄電池模型研究及SOC 模糊估計(jì)[J].蓄電池, 2014, 51(1): 10-14.

[5] SUN Li, TAN Xinde, XIE Fuchun.The Battery management system for electric vehicle based on estimating battery's states[CD].Brussels Belgium:EVs15,1998.

[6] 麻友良, 陳全世, 齊占寧.電動(dòng)汽車用電池 SOC定義與檢測(cè)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2001, 41(11): 95-97.

[7] 齊國(guó)光, 李建民, 張小平, 等.電動(dòng)汽車電量計(jì)量技術(shù)的研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,1997, 37( 3) : 46-49.

[8] Shinpo T, Suzuki H.Development of battery management system for electric vehicle [CD] .Orlando USA : EVS14, 1997.

[9] 桂長(zhǎng)清, 柳瑞華.蓄電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系[J].通信電源技術(shù), 2011, 28(1): 32-34.

[10] 李蓓, 葉瑋瓊, 王耀南, 等.基于工作電壓的動(dòng)力電池剩余容量動(dòng)態(tài)估算[J].變流技術(shù)與電力牽引, 2008(4): 46-50.

[11] 錢立軍, 吳偉岸, 趙韓.基于 ADVISOR 軟件的電池模型仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真, 2004, 21(8):166-168.