使用Simulink和Simscape建模电池万博1manbetx
从系列中:混合动力汽车
了解等效电路以及为什么要使用它们。在本视频中,你将学习:
- 用等效电路来表示电池单元的动态行为。
- 利用参数估计,确定如何根据测量数据参数化等效电路。
- 改进和细化估计,使用更精细的等效电路拓扑来增加模型的保真度。
你好,每个人。我叫哈维尔·加扎里。我是MathWorks的一名应用工程师,专门从事电池系统的建模和仿真设计和分析。我是一名机械工程师,在布宜诺斯艾利斯大学获得学士学位,在不列颠哥伦比亚大学获得硕士和博士学位。
在7年前加入MathWorks之前,我在加拿大政府公司工作了4年,在加拿大温哥华国家研究委员会燃料电池创新研究所研究低温燃料电池。
锂离子电池是现代电动和混合动力汽车的首选电池类型,因为它们具有高比能、良好的循环寿命和非常低的电池放电。然而,有了这些优势,就需要仔细管理电池,以确保安全运行和可接受的耐久性。例如,温度和电压应保持在可接受的范围内,以避免过早退化,电力输送和验收也应如此。
今天,我将与大家分享一些关于如何创建一个用于电池系统设计和控制的Simulink电池模型的想法。万博1manbetx首先,我们将展示如何使用等效电路来表示电池单元的动态行为。这一点很重要,因为BMS像任何控制器一样,需要根据所连接的工厂的动态进行调优。一个好的电池模型会告诉我它是如何随着环境条件和充电状态而变化的。
其次,我们将了解如何使用参数估计来参数化基于测量数据的等效电路,参数估计是一种基于优化的技术,使模型适合实验数据。最后,我们将了解如何改进和完善估计,使用更详细的等效电路类型来增加模型的保真度,使用曲线拟合来补充研究,并使用并行计算来加速计算。
使用基于模型的设计开发电池系统需要一个电池模型,该模型能准确地代表电池的真实生活行为以及对环境和操作条件的依赖。例如,在电流放电事件(如脉冲)之后,它需要在时间相关的恢复中重现电压降。尽管我们希望能够捕捉到电池中存在的电化学现象的所有细节,但面向控制的应用程序需要一种更有效的方法,可以扩展到电池组级别,并最终能够实时模拟。
在保真度和仿真时间之间被广泛接受的折衷方法是等效电路。等效电路是一种电化学类比,旨在使用一个相对简单的电路来表示电化学电池的行为,该电路包含一个电压源和几个电阻和电容器,这些电阻和电容器共同反映了实际电池的开路代理电位、内阻和弛豫时间。
在建模电池时,使用任何给定的电路,重要的是选择电路拓扑和参数化,使其能够与物理电池尽可能相似地响应。
典型的等效电路包括与开路电位相关的电压源,与分离器和电解质的离子电导率相关的串联电阻,以及一个或多个模拟锂离子在多孔电极内外插补过程中的扩散过程的电阻电容对。
就参数化而言,在测试真实电池时捕捉电化学和耗散现象以及它们对状态和环境条件的依赖关系至关重要。这些要求要求使用矩阵,而不是作为查找表组成感兴趣的锂离子化学的物理指纹的标量参数。
确定等效电路特征参数的一种可能的方法是进行参数估计。参数估计是一种基于优化的过程,通过该过程将模拟结果与实验测量结果进行比较,并以使模拟与实验相匹配的方式确定模型参数。这一切都从提出一个等效电路架构开始,基于之前对系统的了解,我们相信它可以代表真实系统的行为。
等效电路的初始参数化是根据我们的经验使用暂定值完成的。模拟被设置为重现放电实验的条件,通常在受控温度环境中完成。
让我们先来看看实验数据。保持25摄氏度的恒定温度,31英寸的镍锰芯电池从充满电的状态一直放电到0 SOC。当电流流出电池时,测量电压下降,然后在脉冲后恢复。恢复过程中电压降的形状是这些特殊电池化学物质的特征。
这个程序的目标是能够使用具有正确参数的等效电路来重现它。更具体地说,串联电阻需要考虑恢复的瞬时部分。联合RC对需要解释复苏的指数部分。电压源必须提供正确的OCV作为SOC的函数。
此外,我们可以观察到不同的电荷能级的响应。因为我们不能直接控制电荷的状态,但当我们将电流从电池中释放出来时,它的状态会发生变化,所以我们需要允许所有的参数都是查找表,而不是标量,以解释SOC依赖性。
这是一个为此目的设计万博1manbetx的Simulink模型。一系列放电电流脉冲从该块内的等效电路中提取,方法与在实验室中所做的相同。同时,利用该电压传感器测量端电压,并通过优化器与实验测量电压进行比较。
在锂离子电池块内部,我们可以看到一个简单的等效电路,一个电压源,一个内阻,和一个RC对。稍后,我们将观察到,只有一个时间常数不足以捕捉这个特定单元的所有动态。如果我们使用初始猜测作为参数运行模型,我们会观察到模拟和实验测量之间的不匹配。
万博1manbetxSimulink将使用MATLAB的优化函数,通过调整等效电路的参数来尽量减小仿真数据和实验数据之间的差异。这是使用一个名为Simulink Design Optimization万博1manbetx的库来完成的。该工具作为Simulink和MATLAB优化函数之间的桥梁。万博1manbetx
在左边,我们可以看到四个要估计的参数。我们需要记住,它们中的每一个实际上都是一个由10个元素组成的向量,对应于10个能级的电荷。其次,我们指定了用于每个估计的实验。我们总是建议至少保留一组独立测量的数据用于验证。
当我们开始估算时,Simulink会一遍又一遍地运行模型。万博1manbetx每运行几次,它就会评估它离目标,也就是实验曲线的距离。虽然它还不够接近,但它对要估计的参数值施加了扰动,并评估这种变化是否改善了情况。这是通过使用先进的优化算法以一种非常有效的方式完成的。
目前的计算需要几分钟才能收敛,因此为了演示,我们将加快速度。
在右边,我们可以看到参数的演变。每种颜色代表四个等效电路元件中的一个。每种颜色中的每条线都对应一个特定的电荷水平。
让我们计算一下最终结果。我们可以看到,在大多数情况下,优化器都能很好地拟合电压降事件和松弛。然而,在某些地方,这种契合度显然还不够好。这是一个评估我们在开始时提出的等效电路拓扑的有效性的时候。
在某些情况下,指数电压弛豫显然比单一的时间常数指数曲线更复杂,这使我们相信等效电路需要更精细。一个简单的尝试是增加更多的时间常数。
让我们看一个单独的松弛事件,看看我们用简单的曲线拟合发现了什么。回到实验测量,我们选择了一个松弛区间。现在让我们将数据导出到一个变量中,并使用曲线拟合工具箱查看它。由于我们对非常特定的函数形式感兴趣,我们将需要使用一个自定义的方程,特别是一个具有指数项和的方程。
它不需要超过三个指数项就能比以前更精确地拟合松弛。这表明,在选择等效电路拓扑时,三个RC组件是更好的选择。让我们试试。
这个模型与我们之前看到的模型相似,但现在等效电路包含三个时间常数而不是一个。现在计算的参数数量为80,8个等效目标元素中的每一个都有10个。对于如此大的问题,使用并行计算来分配计算负载是有意义的。
万博1manbetxSimulink设计优化,允许我们通过在选项中选择使用并行计算来毫不费力地做到这一点。出于演示目的,我们将再次以加速的速度展示该过程。以下是结果。
这一过程必须在每一个感兴趣的温度下重复,并且有可用的实验数据。用这种技术确定的每个参数向量将被堆叠起来,以构成查找表,该查找表稍后将一般非等温模型参数化。我们将在另一节课中看到建模的细节。
综上所述,我们已经看到了如何使用Simulink模型与Simulink组件结万博1manbetx合等温放电数据来找到描述给定锂离子电池单体行为的最佳等效电路和参数。为了进行计算,我们利用Simulink进行了设计优化。万博1manbetx
在本视频中,我们看到了一种方法,通过结合实验测量、模拟和优化,为锂离子电池创建和参数化等效代理。我们开始提出等效电路拓扑和初始参数的猜测。我们看到MATLAB和Simulink如何一起工作来万博1manbetx创建一个优化问题来计算参数值。其结果是一个电池块,其中包含建模真实电池的行为的信息,并且在基于所研究的设备类型的能量存储安排的任何系统级模型中可重复使用。
从这里开始的下一步是创建整个电池组的模型,并围绕它设计电池管理系统。这将是另一个视频的主题。
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