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锂电池是目前在各个能源密集型行业中用途广泛,例如新能源汽车、电力微网、航空航天等。电池模型的建立对研究电池的特性、SOC(state-of-charge)估计、SOH(state-of-health)估计、BMS算法开发以及电池系统的快速实时仿真有重要的意义。
等效电路建模,由于其简单适用性,常常应用在在系统级仿真和控制算法设计过程中。通过实验数据采集、等效电路模型建立和数学优化技术,用相对简单的RC等效电路可以模拟一个电芯。若干电芯模型通过不同类型的并串联方法,形成电池包模型。在电池包模型内,也可加入热电效应仿真。
在上图中,10 个电芯以 10S1P 的形式形成一个电池包(此处工具为 Simscape)。蓝色的线表示电线连接,橙色的表示热交换连接。在图中电芯之间的热交换形式为热对流。
电芯的模型为下图所示:R0 表示内阻,R1C1 表示一对 RC,左边的电压源表示开路电压(Em)。由于只有一对 RC,所以这是一阶等效电路。
上图表明,通过在一个不断充放电的工况下的仿真,我们发现电芯 5 和电芯 6 有较高的温度,而电芯 1 和电芯 10 温度较低。原因是在串联结构中,位置处于中间的电芯散热较差,而处于边缘的电芯散热较好。
锂电池的型号多种多样,比如镍钴锰三元材料 (NMC)、磷酸铁锂 (LFP) 等。每种电池的化学特征决定了各自不同的等效电路特征。等效电路的特征由如下两个要点决定:
下一节中我们将讨论如何获取(估计)上述两个要点数值。
锂电池的老化对模型的影响也是电池模型研究的方向之一。找出模型的拓扑结构和模型参数的改变趋势,对于 SOH 的估计有很强的现实意义。本文将在第四章中讨论电池老化对电池模型的影响。
被动均衡也是电池管
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