4.6 蓄电池模型在线视频

同学们好

在蓄电池储能系统设计和运行中

需要考虑蓄电池的特性

以避免对蓄电池造成损坏

从而延长使用寿命

那么本讲将简要介绍蓄电池的模型

了解其特点

包括蓄电池模型的类别

性能模型的建模方法

以及常用的等值电路电气模型

根据研究目的的不同

蓄电池模型主要可以分为两类

一种是性能模型

性能模型是用于蓄电池短时间尺度的应用研究

性能模型能够描述蓄电池在不同的运行条件下

如负载电流

功率

温度等条件下的输出电压

电流和功率

性能模型还能够反映蓄电池电压的

静态特性和动态特性

静态特性既伏安特性

那么动态特性则反映负载变化时

电压的动态变化情况

我们为了提高性能模型的精度

通常还可以在模型中集成热模型

对蓄电池温度进行估计

以反应温度对蓄电池性能的影响

那么它的应用场合就是

在涉及诸如蓄电池性能测试

蓄电池组能量管理

充放电装置的设计和功率控制等研究时

我们主要采用性能模型

另一种常用模型是生命周期模型

它主要用于评估蓄电池的使用寿命

评估电池容量是否满足特定需求

在诸如大时间尺度的蓄电池优化运行

和储能电站规划研究中

主要采用生命周期模型

下面我们看蓄电池性能模型的建模方法

蓄电池性能模型的建模方法主要有三种

一种是电化学建模

即根据电池电极和电解质的物理化学特性

建立反映蓄电池能量转换过程的数学模型

由于这种模型能够探寻和识别

各种影响电池性能

内部机理和反应过程

它可以用于优化电池的性能

第二种是所谓的数学模型

基于经验公式建立

反映电池的外特性

它可以直接根据蓄电池的规格化参数

得到相应的模型

第三种是等值电路电气模型

也就是利用等值电路

描述电池端口的静态和动态电气特性

能够提供电池宏观电气量信息

那么等值电路电气模型

能与外部变换器电路接口

因而是进行蓄电池充放电控制

和含蓄电池动力系统复杂工况

模拟研究的基础模型

我们对三种不同建模方法进行一个比较

电化学模型具有很高的精度

同时计算复杂度也最高

化学物理意义明确

数学模型建模简单

精度和复杂度低

但物理意义不明确

电气模型相对而言

既具有较高的精度

计算量适中

而且物理意义也较为明确

由此可见

电器模型是一种比较好的折中方案

下面以锂电池为例

介绍基于等值电路的电气模型

那么电池模型的输入

包括电池的电流

荷电状态SOC

和温度

输出呢则为蓄电池的端口电压

以及蓄电池的工作电压

根据仿真目的和仿真精度的要求

有时还可以忽略温度的影响

甚至忽略荷电状态的影响

下面为等值电路模型的基本结构

那么等值电路由电容

电流源

受控电压源以及等值电路阻抗等元件组成

从电信模型

我们可以看到

在充电的阶段

蓄电池工作电压为开路电压Voc

和等值阻抗压降之和

还在放电阶段

蓄电池工作电压

为开路电压与内阻抗压降之差

模型中的电容和电流源

就模拟了蓄电池的荷电状态

也就是能量信息

受控电压源Voc

模拟了蓄电池的开路电压

也就是内电势

大小与电池荷电状态SOC

还有温度都有关

描述了空载条件下的这个电池电压

等值阻抗电压降Veec

描述了蓄电池的动态特性

而等值阻抗电压降Veec

其参数也受荷电状态核电状态温度

和电流的影响

根据建模要求和目的

比如精度要求

计算量

时间限制

物理意义等呢

等值阻抗具有不同的电路形式

在Matlab Simulink

仿真软件中提供了电池模块

能够实现一个可参数化的通用动态模型

也就是通过不同的参数设置

可以表示多种蓄电池类型

在右图中显示了该电视模块的等效电路

可以看出

蓄电池被等效为一个受控电压源

和内电阻串联

这是等效电路模型的简化形式

可控电压源的电压

也就是电池的内电势

在放电和充电阶段的表达式是不同的

分别用函数

F1F2表示

它是与电流电量相关的函数

它不同的电池类型

F1和F2的表达式也是不相同的

如果以锂离子电池为例

充电和放电阶段内电势的函数

如下面F1和F2所示

电池端电压与负载电流的大小

以充放电电量的大小

极化特性

以及内电阻均是有关的

式中参数的具体含义可以查阅

matlab帮助文档

电池的充放电特性曲线

一般为对电池进行充放电设计的依据

这里给出采用上述matlab电池模块

当电池参数为12V/100Ah 锂离子电池时

锂离子电池时

电池的放电特性曲线

图中的纵轴为电池的端电压

上面的横坐标轴则表示放电的容量

下面的横坐标轴表示放电的时间

我们可以看到

这典型的电池放电曲线

它包含三个阶段

第一个阶段就是放电初始时刻呢

电压呈指数下降的区域

根据电池类型的不同

指数区的宽度也不一样

第二阶段则表示

电池电压下降到额定电压前的这个阶段

在该阶段中

电池电压下降趋势较缓慢

第三部分为额定电压之后

电池电压快速下降

一直下降到放电终止电压时刻

我们需要注意的是

对于放电而言呢

需要注意放电终止电压的要求

以避免对电池造成损坏

那么放电终止电压是与温度条件

放电电流都有关的

一般在低温大电流的时候

终止电压可以低些

而在高温小电流情况时

终止电压需要设定的高些

现在是到终止电压

在厂家给的

这个特定型号电池的使用说明书中

一般都会明确的给出

下面我们看电池的充电特性曲线

那么图中给出的是

锂离子电池模型的充电特性曲线

我们可以看到在充电初始时段

电池电压迅速上升的过程

我们可以看到充电初始时段

电池电压迅速上升

然后随着充电过程呢

几乎平稳

在达到一定的容量后

也就在接近满充之后

又会有较大幅度的上升

对充电而言

也要注意充电终止电压的要求

不可以过压充电

对充电电流呢

也需要限制

以免发生过流和过热

一般电池充电可采用恒压限流充电

或者是分阶段呢

先恒流后恒压充电等等

上面就是我们这节课所讲述的

关于蓄电池的模型及特性的内容

实际上

在蓄电池储能系统的仿真研究过程中

根据研究目的的不同

上述等值电路模型还可以进一步简化

最简单的形式就是理想电压源

加静态等值电阻的形式

好这节课就到这里

同学们下节课再见