基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法研究

汪若冰

(桐城師范高等?？茖W校，安徽 安慶 231400)

過去幾十年間，鋰離子電池在移動設(shè)備、電動汽車和儲能站中得到了廣泛應用。然而，考慮到鋰儲量和價格，亟需找到一種新型的替代品[1]。由于鈉儲量豐富并且價格便宜，因而鈉離子電池被認為是最有潛力的鋰離子電池替代品[2]。隨著鈉離子電池在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，對鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性和負載均衡性提出了更高的要求，需要構(gòu)建鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性控制模型，并對鈉離子電池性能進行測試，因此相關(guān)鈉離子電池性能測試方法的研究受到人們極大關(guān)注[3]。近幾年對鈉離子電池性能的研究相繼取得了重要進展，研究體系也在不斷豐富[4]。對鈉離子電池的穩(wěn)定性測試是建立在對鈉離子電池的參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)鈉離子電池性能準確測試的目標，本文提出基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法。通過仿真實驗測試，驗證了本文方法在提高鈉離子電池性能測試能力和測試輸出穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性能。

1 控制約束參量和電池輸出穩(wěn)定性控制

1.1 控制約束參量分析

為實現(xiàn)基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試，需要構(gòu)建鈉離子電池性能的約束參量模型，將輸出功耗、電池交流阻抗、出口側(cè)電阻、電力負荷等參數(shù)作為控制約束參量。采用電源間歇性波動調(diào)節(jié)方法，分析鈉離子電池的單極性特征分布集[5]，得到鈉離子電池的三相電壓源變換的特征參量為：

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(1)

Z3=Req+Zs

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

Zm=jωLm

(7)

構(gòu)建變換器交流側(cè)電壓的模糊參數(shù)模型，采用虛擬儀器辨識方法對采集到的鈉離子電池性能參數(shù)進行自動尋優(yōu)，尋優(yōu)函數(shù)為：

(8)

根據(jù)上述分析，構(gòu)建鈉離子電池的性能參數(shù)模糊補償模型，表示為：

(9)

1.2 鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性控制

采用三相交流電流阻抗抑制方法進行鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性控制，建立鈉離子電池功率[7]和負載的均衡匹配模型，結(jié)合交流變換和輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)方法進行鈉離子電池的輸出擾動抑制。其中鈉離子電池的輸出為：

(10)

其中，

(11)

(12)

根據(jù)鈉離子電池的直流電容和充放電功率，進行鈉離子電池交流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換[8]，方程為：

根據(jù)瞬時功率調(diào)節(jié)方法，得到鈉離子電池儲能裝置的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)方程，表示為：

(16)

式中，v表示鈉離子電池儲能信號[9]，x1是電壓相量E與U的相角差，x2是電流環(huán)輸出特征分量，h為激磁電動勢，由此完成鈉離子電池輸出穩(wěn)定性控制模型的構(gòu)建。

2 鈉離子電池性能測試優(yōu)化

2.1 基于虛擬儀器的電池輸出性能調(diào)節(jié)

虛擬儀器是將現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器充分融合了計算機的運算、存儲、回放顯示及文件管理等功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合從而構(gòu)成一臺與傳統(tǒng)儀器功能完全相同的全新的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用虛擬儀器進行電池輸出性能調(diào)節(jié)，其具體過程如下。

分析鈉離子電池漏磁系數(shù)k1和虛擬轉(zhuǎn)子角頻率kβ，引入控制環(huán)節(jié)輸出的虛擬電勢，得到鈉離子電池的動態(tài)功率波動，表示為：

(17)

其中，

(18)

(19)

最終求得鈉離子電池的吸收/釋放的瞬時功率[10]為：

(20)

根據(jù)瞬時功率計算結(jié)果，獲取鈉離子電池效率，其計算公式為：

(21)

采用電池效率控制方法，得到有功功率變化量為：

(22)

其中，鈉離子電池的功率均分系數(shù)為μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2為鈉離子電池的虛擬儀器測試參數(shù)，基于虛擬儀器的電池輸出性能調(diào)節(jié)公式為：

(23)

2.2 電池性能測試的輸出穩(wěn)定性控制與負載均衡設(shè)計

采用動態(tài)功率波動調(diào)節(jié)方法，構(gòu)建鈉離子電池性能測試的輸出穩(wěn)定性控制模型，表示為：

(24)

式中，z1，z2是鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性狀態(tài)特征參數(shù)，y是有功功率，z3是升壓比例，β1，β2，β3分別是不同交流角頻率。在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，進行鈉離子電池的虛擬同步轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)，得到鈉離子電池的虛擬轉(zhuǎn)換控制系數(shù)，表示為：

(25)

式中，α1,α2是吸收/釋放的瞬時功，kp,kd是瞬時功率平衡系數(shù)。通過穩(wěn)態(tài)功率變換方法，得到鈉離子電池性能測試輸出的負載均衡調(diào)節(jié)函數(shù)為：

(26)

(27)

3 仿真測試分析

為測試本文方法在實現(xiàn)鈉離子電池性能測試中的應用效果，進行仿真測試分析。設(shè)定鈉離子電池輸出電壓額定值為120V，輸出直流電感為45mH，空載電勢有效值為24V。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進行鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性測試，得到輸入端的參數(shù)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 輸入端的參數(shù)測試結(jié)果

根據(jù)圖2的輸入端參數(shù)測試結(jié)果，進行鈉離子電池性能測試。本文通過構(gòu)建鈉離子電池性能測試的模糊穩(wěn)態(tài)控制模型，結(jié)合鈉離子電池輸出參數(shù)自適應尋優(yōu)的方法進行鈉離子電池優(yōu)化測試，其中參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鈉離子電池的參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果

根據(jù)圖3的參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果，進行鈉離子電池性能測試，測試結(jié)果如圖4所示。

(a)輸出波動幅值

(b)無功功率變化實驗波形圖4 輸出參數(shù)測試結(jié)果

分析圖4得知，本文方法進行鈉離子電池性能測試，輸出的穩(wěn)定性較好，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，提高了鈉離子電池性能測試精度。

結(jié)語

本文提出基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法。構(gòu)建鈉離子電池性能的約束參量模型，采用電源間歇性波動調(diào)節(jié)方法獲取鈉離子電池的單極性特征分布集，構(gòu)建鈉離子電池性能測試的模糊穩(wěn)態(tài)控制模型，通過對鈉離子電池的輸出參數(shù)自適應尋優(yōu)方法進行鈉離子電池優(yōu)化測試和輸出參數(shù)的自動匹配調(diào)節(jié)，能夠有效提升鈉離子電池的輸出穩(wěn)定性。分析得知，采用本文方法進行鈉離子電池性能測試的輸出穩(wěn)定性較好，參數(shù)尋優(yōu)能力較強，提高了鈉離子電池的性能。