大容量动力铅酸蓄电池建模方法.pdf

Vol.32No.62012.6
电技木综述
大容量动力铅酸蓄电池建模方法
杨占录张国庆王宗亮
(海军潜艇学院,山东青岛266042)
摘要:分别介绍了基于电化学机理、电化学经验公式、等效电路以及基于神经网络的蓄电池建模方法,
并对当前正在使用的其他蓄电池建模方法进行了概述。对建模方法的优缺点进行了对比。
关键词:铅酸莤电池数学模型等效电路神经网络
中图分类号:TP912.9
文献标识码:A
文章编号:1003-4862(2012)06-0035-03
The Modeling Method of High Capacity Lead-acid Storage Battery
Yang Zhanlu, Zhang Guoqing, Wang Zongliang
(Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, Shandong, China)
Abstract: This paper introduces the battery modeling method based on electrochemical mechanism
electrochemical empirical formula, equivalent circuit, and artifcial neural networks. It reviews other
modeling methods used for the batter, and compares the merits and shortcomings of those model methods
Keywords: Lead-acid storage battery, Mathematics model, equivalent circuit, neural network
0引言
动力学理论,最终可得到电解液活性物质浓度损
随着传统能源供应的日益紧张以及人们环保失百分比函数:
意识的提高,各大汽车制造商竞相推出或准备推
VFAOC
r[I I(r)dr
出电动汽车。大部分电动汽车使用大容量动力电
池,其中就有铅酸蓄电池。所有电动汽车都有电
( te
池管理系统(BMS),BMS对电池的当前状态进式中:为反应中电子的数目;F为法拉利常数;
行检测,并根据使用情况对未来的状态做出预测,A为电极的面积;D为扩散系数
这就需要建立蓄电池的数学模型。本文介绍几种
如果令x= waac',B=xVD/の则上式
常见的蓄电池模型建立方法。
仅包含两个参数α和β。确定两者的数值,就可
以确定SOC估算模型
1基于电化学机理的建模方法
若考虑电流值为Ⅰ的恒流放电过程,放电截
著电池内部电解液所含有的活性物质,其浓止时p()=1,则可以得到以下等式:
度损失百分比可表示为
82m?I
a=L1+2∑
p(り=1ーC(/C'=1-s()
式中:C'为初始浓度;C(の为电解液中时刻活性
对于给定的恒流放电集合{,*=1,2,…
物质的浓度;时间r的取值范围[0,],L为放电?,可以使用最小二乘法得到最优的a、B参数
总时间,s(の)为r时刻的荷电状态SOC。
进而计算p()、s(t),其中
当使用蓄电池一维的电化学模型,根据电化
∑
收稿日期:2011-12-26
蓄电池机理建模侧重于蓄电池的理论研究和
作者简介:杨占录(1976-),男,硕士,研究方向:舰
设计,需要较强的电化学理论知识和设计经验,
船电力系统的研究。
电故木综述
Vo1,32No.62012.6
蓄电池电化学机理模型和实际情况有较大差距,步判定,可利用所推导的计算式反复校对经验值
侧重于理论验证,一般用于蓄电池的辅助设计。的准确性,以提高模型的计算精度?。
2基于电化学经验公式的建模方法
基于等效电路的建模方法
电化学专家根据电化学理论分析和实验数据3.1 Thevenin等效电路
进行拟合分析,得出一些经验公式,根据这些经
Thevenin等效电路采用直流电压源E与内阻
验公式的推导和分析,预测蓄电池电气外特性和r串联,并与阻容并联网络串联,阻容网络表示
剩余容量,从而形成了电化学经验公式模型。
蓄电池的过电压现象,在蓄电池两端并联电阻Rg
2.1 Peukert经验公式、 Shepherd方程
表示自放电现象,其电路原理图如图1所示。各
Peukert经验公式为
元件的参数随蓄电池的状态(如荷电状态、温度)
11=2;1=;2=22
的变化而动态变化,变化规律的辨识与电化学经
Shepherd方程为
验公式模型的处理方法相同。由于等效电路模型
U=E。4A。-B(-S0ーC(-SOC
考虑的动态过程更加具体,所以其参数辨识也更
-K, (SOC)1-RI
加困难,如表示过压现象的阻容网络,其电容、
式中:互1、互2为放电电流,、a2、G、G2为以相电阻值的辨识准确度很难提高。
应电流恒流放电的放电截止时间和放出的电量,
为蓄电池端电压,Es、R1、K、A、B、C均为
恒定系数,可根据实验数据获得。
在恒流放电条件下, Peukert经验公式可以对
容量进行估算, Shepherd方程可以对蓄电池端电
压进行估算,这两个方程联立求解,即可得出不
图1 Thevenin等效电路
同荷电状态下蓄电池的电气外特性。
根据电路定律可得到
2.2 Nernst方程和 Tafel方程电池模型
C-2+(1+)
将 Nernst方程表现为半经验公式形式:
t
?
式中:Bo理想电压源;ー内阻;Co平行极板
E=a+bin
2?t
之间的电容;R0一极板与电解液之间的非线性接
式中:a、b一经验常数;E一蓄电池电动势;Q-触电阻。
蓄电池电量;【一蓄电池放电量;一放电时间。3.2PNGV模型
Tafel方程表现为经验公式形式
PNGV等效电路电池模型通过对电池参数的
ani
线性化处理来模拟电池在一定DOD水平下的动
式中:c、d经验常数;一蓄电池放电电流
态性能。这个线性的等效电路模型能较好地预测
蓄电池电流则由下式表现:
电池在HPPC测试循环下的电池端电压的。模型
Charging
的等效电路和数学公式描述如下所示。
式中:一蓄电池总电流
=ac-7a(「の)-R。2-R,l
由以上三式可推导经验常数的计算式
E-c
-2+tーt?exp
dt
d
E
式中:e一理想电压源,它表示的是电池的开
路电压;1/Vc一该电容描述的是因电流的时间
-O+it-t
d+E
积分而引起的开路电压的变化;R。一电池的欧姆
内阻;R2一电池内部极化电阻(如由于浓差极
化);Cp-R1的并行电容;て一极化时间参数;
以上四个参数可由蓄电池的放电性能曲线初一极化电阻的电流:7一电池端电压
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