从系列:混合电动车辆
哈维尔·加扎里,MathWorks
了解等效电路以及你为什么想要使用它们。在本视频中,你将学习:
大家好。我的名字javier gazzarri。我是使用建模和仿真的电池系统专用的MathWorks的应用工程师。我是一名机械工程师,拥有布宜诺斯艾利斯大学的学士学位,以及英国哥伦比亚大学的硕士和博士学位。
在七年前加入MathWorks之前,我在加拿大政府工作了四年,在不列颠哥伦比亚省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。
锂离子是在现代电气和混合动力车辆中的电池电池类型的偏好,因为它们的高能量,良好的循环寿命和非常低的电池放电。然而,随着所有这些优势,需要仔细的电池管理,以确保安全运行和可接受的耐用性。例如,温度和电压应保持在可接受的限度范围内,以避免过早降级,电源传递和接受。
今天,我将与大家分享一些关于如何为电池单元创建Simulink模型的想法,以用于电池系统设计和控制。首先,我们将展示如何使万博1manbetx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作为任何控制器,都需要根据所连接设备的动态进行调整。一个好的电池模型会告诉我它在环境条件和充电状态下的行为。
其次,我们将了解如何使用参数估计来根据测量数据对等效电路进行参数化,这是一种基于优化的技术,可以使模型与实验数据相匹配。最后,我们将看到如何改进和细化估计,使用更精细的等效电路类型增加模型的保真度,用曲线拟合补充研究,并使用并行计算加速计算。
使用基于模型的设计来开发电池系统,需要电池的模型能够准确地反映其真实的寿命行为以及对环境和操作条件的依赖性。例如,它需要在电流放电事件(如脉冲)后的时间依赖恢复中再现电压降。尽管捕捉电池中存在的电化学现象的所有细节是可取的,但以控制为导向的应用需要一种更有效的方法,可以扩大到电池组水平,并最终能够进行实时模拟。
在保真度和模拟时间之间,一个被广泛接受的折衷是等效电路。等效电路是一个电化学类比为代表的行为一个电化学的电池使用一个相对简单的电路包含一个电压源和几个电阻和电容,共同反映了开放代孕潜力,内部阻力和弛豫时间的细胞。
在使用任何给定电路对电池单元进行建模时,重要的是选择电路拓扑和参数化,以使其响应尽可能类似于物理电池单元。
典型的等效电路包括与开路电位相关的电压源、与分离器和电解液的离子导电性相关的串联电阻器,以及一个或多个电阻-电容器对,其模拟锂离子在多孔电极中的内插和去内插过程中的扩散。
就参数化而言,在测试真正电池时观察到的电化学和消散现象以及它们对状态和环境条件的依赖性,这是至关重要的。这些要求要求使用矩阵代替标量参数,该参数用作构成锂离子化学物理指纹的查找表。
确定等效电路特征参数的一种可能途径是进行参数估计。参数估计是一种基于优化的过程,通过该过程,将仿真结果与实验测量值进行比较,并以仿真与实验相匹配的方式确定模型参数。这一切都是从提出一个等效电路架构开始的,基于先前对系统的了解,我们相信它可以代表真实系统的行为。
根据我们的经验,使用暂定值对等效电路进行初始参数化。模拟设置为再现放电实验的条件,通常在受控温度环境中进行。
让我们先看看实验数据。保持25摄氏度的恒定温度,电源镍锰芯电池单元31.从完全充电的状态排出到0 SOC。虽然电流流出电池,但测量的电压下降,然后在脉冲之后恢复。回收率中的电压降的形状是这些特定电池化学物质的特征。
这个过程的目标是能够用具有正确参数的等效电路重现它。更具体地说,串联电阻需要考虑恢复的瞬时部分。组合RC对需要解释恢复的指数部分。电压源必须根据SOC提供正确的OCV。
此外,我们可以观察到不同状态的电荷水平的响应。因为我们不能直接控制电荷的状态,但是当我们将电流移出单元时,状态会发生变化,所以我们需要允许所有参数都是查找表,而不是标量,以解释SOC的依赖性。
这是一种用于此目的的万博1manbetx模拟模型。一系列放电电流脉冲以与实验室中的相同方式从该块内的等效电路中汲取。同时,使用该电压传感器测量端子两端的电压,该电压传感器通过优化器比较实验测量的电压。
看里面的锂离子电池块,我们可以看到一个简单的等效电路与电压源,一个内阻,和一个单一的RC对。稍后,我们将观察到,仅一个时间常数不足以捕获这个特定细胞的所有动态。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将与MATLAB的优化函数一起工作,通过调整等效电路的参数,尽量减少仿真数据和实验数据之间的差异。这是使用一个名为Simulink设计优化的库完成的。万博1manbetx该工具是Simulink与MATLAB优化功能之间的桥梁。万博1manbetx
在左边,我们可以看到四个需要估计的参数。我们需要记住,它们中的每一个实际上是一个由10个元素组成的向量对应于10个能级的电荷态。其次,我们明确了每一个估计所使用的实验。我们总是建议保留至少一组独立测量的数据用于验证。
当我们开始评估时,Simulink会一次又一次地运行这个模型万博1manbetx。每隔几次,它就会评估它离目标,即实验曲线,有多远。虽然它不够接近,但它对要估计的参数值施加扰动,并评估该变化是否改善了情况。这是在一个非常有效的方式,使用先进的优化算法。
目前的计算需要几分钟的时间才能收敛,因此为了演示,我们将加快计算速度。
在右手边,我们可以看到参数的演变。每种颜色代表四种等效电路元件中的一种。每种颜色中的每条线都对应着特定水平的电荷状态。
让我们评估最终结果。我们可以看到,对于大多数部分,优化器确实符合电压下降事件和放松的好工作。然而,在某些地方,契合显然不够好。这是评估我们在开始时提出的等效电路拓扑的有效性的时间。
在某些情况下,很明显,指数电压弛豫比单一时间常数指数曲线更复杂,这使我们相信等效电路需要更详细。一个简单的尝试是添加更多的时间常数。
让我们看一个松弛事件,看看我们用简单的曲线拟合会发现什么。回到实验测量,我们选择一个松弛间隔。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。由于我们对非常特殊的函数形式感兴趣,我们将需要使用一个定制的方程,特别是一个有指数项的和的方程。
它不需要超过三个指数术语来更加准确地放松。这表明,在选择等效电路拓扑方面,三个RC组件是更好的选择。让我们试试吧。
这个模型与我们以前见过的模型相似,但现在等效电路包含三个而不是一个时间常数。正在计算的参数数量现在是80个,8个等效目标元素每个10个。对于这么大的问题,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,允许我们通过选择使用并行计算的选项来轻松做到这一点。同样,为了演示的目的,我们将以加速的速度展示这个过程。以下是结果。
必须在每个感兴趣的温度下重复该过程,并且有实验数据可用。将堆叠使用此技术识别的每个参数矢量以构成稍后将参数化普通非等温模型的查找表。我们将在单独的讲座上看到此模型细节。
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电池行为的最佳等效电路和参数。为了完成这个计算,我们使用了Simulink设计优化。万博1manbetx
在该视频中,我们看到了一种使用实验测量,模拟和优化的组合来创建和参数为锂离子电池进行等效代理的方法。我们开始提出等效的电路拓扑和猜测初始参数。我们看到MATLAB和Simulink如何共同努力创万博1manbetx建优化问题以计算参数值。结果是电池单元块,其包含用于模拟真实电池单元的行为的信息,并且在基于研究中的设备类型的能量存储装置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。这将是一个单独的视频的主题。
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