Elektrikli araç için lityum pilin Thevenin eşdeğer devre modelinin parametre tanımlaması üzerine araştırma
Li Baihua1, Guo Canbin1, Zhong Qishui2, Tu Tao2
(1. Guangdong Mekanik ve Elektrik Teknolojisi Enstitüsü, Guangzhou 510515, Guangdong; 2. Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Chengdu 611731, Sichuan)
: Öncelikle lityum iyon pillerin karakteristikleri ile şarj ve deşarj prensipleri analiz edilerek lityum iyon pillerin Thevinin eşdeğer devre modeli tanıtılır ve Thevinin eşdeğer devre modeli parametreleri darbe yöntemi ve yinelemeli en küçük kareler yöntemi kombinasyonu ile belirlenir. , Thevenin eşdeğer devre modeli parametrelerinin gerçek zamanlı çevrimiçi tanımlamasını gerçekleştirir ve elektrikli araçların lityum pilinin eşdeğer devre modelinin analizi ve araştırılması için uygun bir yol sağlar.
: Elektrikli araç; eşdeğer devre; darbe yöntemi; en küçük kare yöntemi
: U469.72 + 2 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.01.025
Alıntı biçimi Li Baihua, Guo Canbin, Zhong Qishui ve diğerleri.Elektrikli araçta lityum pilin Thevenin eşdeğer devre modelinin parametre tanımlaması üzerine araştırma J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (1): 83-85,88.
0 Önsöz
Otomobillere olan talep artmaya devam ettikçe, enerji kıtlığı ve çevre kirliliği gittikçe daha ciddi hale geliyor.Elektrikli araçlar, kirlilik içermeyen ve çeşitli güç kaynaklarının avantajlarına sahip ve geliştirilmeleri yoğun ilgi gördü. Elektrikli araçların lityum pilinin aşırı şarjı veya aşırı deşarjı, geri dönüşü olmayan yıkıcı etkiler yaratacak ve anormal çalışma koşulları altında kendiliğinden yanma gibi güvenlik sorunlarına neden olacaktır [1]. Etkili bir teorik model kurarak çalışma durumunu, özelliklerini ve performansını etkin bir şekilde değerlendirmek gerekir.
Günümüzde yaygın olarak kullanılan birçok pil modeli bulunmaktadır.Thevenin eşdeğer devre modeli, basit model parametreleri ve makul hesaplama miktarı nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makale Thevenin eşdeğer devre modelini analiz eder, eşdeğer devre modelinin parametre tanımlamasını inceler ve eşdeğer devre modeli parametrelerini belirleme yöntemini elde eder [2].
1 Li-ion Pil Şarjı ve Deşarjının İlkeleri
Lityum iyon piller genellikle pozitif elektrot için lityum kobalt oksit, lityum manganat, lityum demir fosfat, lityum nikelat ve diğer lityum iyon bileşiklerini ve negatif elektrot için lityum iyonları ekleyebilen grafit ve diğer bileşikleri kullanır [3]. Lityum demir fosfat pilin pozitif elektrodunun şarj ve deşarj değişiklikleri Şekil 1'de gösterilmektedir. Lityum iyonları, elektrolit ve pil ayırıcısı aracılığıyla pilin pozitif ve negatif elektrotları arasında ileri geri aktarılır.
2 Thevinin (Thevinin) eşdeğer devre modeli
Pil paketi, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir voltaj kaynağına, iç dirence ve birinci dereceden bir RC serisi devresine eşdeğerdir, burada R1, pilin omik iç direncidir ve birinci dereceden RC, pil şarjı ve deşarjı sırasında plakanın polarize kapasitansını ve direncini karakterize eder. [4]. Bu şekilde, pil takımının şarj ve deşarj işlemi sırasında voltajdaki ani değişim, dahili direnç R1 ile karakterize edilebilir ve voltajdaki kademeli değişim Rp ve Cp ile karakterize edilebilir.
Thevenin modelinde, ohmik iç direnç R1, akü elektroliti, pozitif alüminyum folyo, negatif bakır folyodan vb. Oluşur. Birinci dereceden RC serisi devre, şarj ve deşarj sırasında batarya voltajının kademeli özelliklerini yansıtır.İlk derece RC devresi, pozitif ve Negatif elektrotun polarizasyon etkisi üretilir.
3 Thevenin eşdeğer devre modeli parametre tanımlama
3.1 Yinelemeli En Küçük Kareler
Çoklu doğrusal denklemler için, bilinmeyenlerin sayısı denklem sayısından az olduğunda ve denklemin çözümü olmadığında [5], denklemin en küçük kareler çözümü en küçük kareler yöntemi ile hesaplanabilir. M-tap filtresinin ağırlık vektörünün sağlaması gereken doğrusal denklem denklem (1) 'de gösterilmiştir.
Aw = b (1)
Formülde, A bir sütun tam sıralı matristir ve A'nın satır sayısı sütun sayısından daha büyüktür, yani formül (1) 'de bağımsız denklemlerin sayısı bilinmeyenlerin sayısından daha büyüktür, bu nedenle denklemin çözümü yoktur. Bununla birlikte, denklemin yaklaşık bir çözümü, en küçük kareler yöntemi uygulanarak hesaplanabilir ve denklem (2), minimum değer elde edilerek ve türetilerek elde edilebilir:
LS = (AHA) -1AHb (2)
Denklem (2), denklemin en küçük kareler çözümüdür. En küçük kareler çözümünü yinelemeli en küçük kareler (RLS) çözümüne genişletmek için, katsayı matrisi A'nın denklem (3) 'de gösterildiği gibi olduğunu varsaymak gerekir.
Burada M, filtre katsayılarının sayısı veya doğrusal denklemlerdeki bilinmeyenlerin sayısıdır ve N-M + 1, gözlem verilerinin sayısı veya doğrusal denklemlerin sayısıdır. Gözlemlenen verilerin tam olarak kullanılması için, matris A denklem (4) 'de gösterilen sonuca genişletilebilir.
Formül (1) 'deki korelasyon matrisi formül (5)' de gösterilmektedir:
3.2 Karmaşık frekans alanı analizi
Lityum pilin Thevenin model eşdeğer devresi Şekil 2'de gösterilmektedir. Modelin devre matematiksel denklemi, aşağıda gösterildiği gibi devre çıkış denklemini elde etmek için karmaşık frekans alanına dönüştürülür:
Formül (9) 'da, U (s), pil terminal voltajının karmaşık frekans etki alanı değeridir, I (s), mevcut karmaşık frekans etki alanı değeridir, R1, pil iç direncidir ve Rp ve Cp, pil polarizasyon direnci ve polarizasyon kapasitansıdır. Aynı zamanda pil empedansı aşağıdaki gibidir:
Formül (10) 'da, çift doğrusal dönüşüm ilkesine göre E (s) = Uoc (s) bilU (s), şunu elde edebiliriz:
Formül (11) 'i formül (10)' a koyarsak, z-alanındaki lityum pillerin Thevenin modelinin parametre ifadeleri aşağıdaki gibidir:
Böylece şunları elde edebilirsiniz:
E (k) = k1I (k) + k2I (k 1) + k3E (k 1) (14)
3.3 Thevenin model parametrelerini belirlemek için darbe deşarj deneyi ve yinelemeli en küçük kareler yönteminin kombinasyonu
Denklemden (13), k3 parametresinin sadece örnekleme periyodu ve zaman sabiti ile ilgili olduğunu görebiliyoruz.Zaman sabiti darbe deşarj deneyi ile elde edilebiliyor Darbe deşarj deneyinin sistemi Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 4, 10 A akımla boşaltılan bir lityum demir fosfat pilin terminal voltaj değişim eğrisidir.
Şekil 4'teki pil terminal voltajının kademeli olarak değişmesi, pilin polarizasyon direnci ve polarizasyon kapasitansından kaynaklanır.Pil terminal voltajı ile voltaj kademeli bölümündeki zaman arasındaki denklem ilişkisi, aşağıda gösterildiği gibi MATLAB aracılığıyla eğri uydurma ile elde edilebilir:
U = 0,0519exp (-0,0925t) +3,2690 (15)
Denklemden (15), voltaj gradyan eğrisinin zaman sabitinin aşağıdaki gibi olduğu görülebilir:
Formül (19) 'da, b (n) = E (n) -0.68776E (n-1), (n) = [I (n) I (n-1)], (n) = [k1k2] T. B (k) değeri E (k) ile ilişkilidir ve E (k) değeri pilin açık devre voltaj değeri Uoc (k) ile ilgilidir.Pilin açık devre voltaj değeri Uoc (k) kalan pil gücü SOC (k) ile hesaplanabilir. Bu nedenle, pil SOC değeri ile açık devre voltaj değeri Uoc arasındaki uydurma eğrisini elde etmek gerekir.
Lityum pilin SOC değeri ile açık devre gerilimi Uoc arasındaki uydurma eğrisi ilişkisini elde etmek için, lityum pil üzerinde çift darbeli deşarj deneyi gerçekleştirilerek, uydurma [6] için belirtilen SOC değerinin altındaki açık devre gerilimi değeri elde edilebilir. Bir lityum pilin çift darbeli deşarjının terminal voltaj eğrisi Şekil 5'de gösterilmektedir. Deneyde, şarj ve deşarj darbe akımı 10 A ve darbe genişliği% 40'tır.
Şekil 5'te a noktası, pals deşarjı bittikten ve pil 30 saniye bekletildikten sonra akünün terminal voltaj değeridir.Bakma işlemi sırasında akü polarizasyon voltajı kademeli olarak azalacak ve akü terminal voltaj değeri kademeli olarak akü açık devre voltaj değerine yaklaşacaktır. B noktası, akü şarj edilip 30 saniye bırakıldıktan sonraki terminal voltaj değeridir.Durdurma sürecinde akü şarj polarizasyon voltajı kademeli olarak azalır ve akü terminal voltajı değeri kademeli olarak akü açık devre voltaj değerine yaklaşır. Batarya darbe şarjı ve deşarj süresi çok kısa olduğu için bataryanın SOC'si değişmemiş kabul edilebilir. A ve b noktası bataryanın bir süre boşaldıktan ve bir süre şarj edildikten sonraki terminal voltajlarıdır. Açık devre voltaj değeri, a ve b noktasındaki voltaj değerleri arasında olmalı ve a ve b noktalarındaki voltajın ortalama değeri, pilin açık devre voltaj değeri olarak alınabilir. Çift darbe yöntemi ile ölçülen farklı SOC değerlerinin açık devre voltaj değerleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
Tablo 1'e göre, SOC ile lityum demir fosfat pilin açık devre voltajı arasındaki uydurma eğrisi, Şekil 6'da gösterildiği gibi segmental uydurma ile elde edilebilir.
Şekilde, a ~ b segmentleri 5 fitingi, b ~ c segmentleri 3 fitingi benimser, segmentler ikincil fitingi benimser ve segmentler 5 fitingi benimser. Lityum iyon pilin SOC değeri ile açık devre voltaj değeri arasındaki eğri ilişkisinin bölümlü bağlantı vasıtasıyla elde edilmesi, pil SOC değeri aracılığıyla açık devre voltaj değerinin elde edilmesinin doğruluğunu büyük ölçüde artırabilir.
Akım I (k) deneylerle ölçülebilir, = 1, u (n) = I (n) olarak ayarlanabilir ve denklem (8) 'e konabilir, k1 ve k2 değerleri iteratif olarak hesaplanabilir ve k1 ve k2 değerleri ikame edilebilir. (17) R1 ve Rp'nin yinelemeli değeri elde edilebilir. Deneylerle elde edilen tahmini R1 ve Rp değerleri Şekil 7'de gösterilmektedir.
4. Sonuç
Bu makale ilk olarak lityum iyon pillerin özelliklerini ve şarj etme ve boşaltma ilkelerini analiz eder, lityum iyon pillerin Thevenin eşdeğer devre modelini sunar ve Thevenin eşdeğer devre modeli parametrelerini tanımlamak için bir darbe yöntemi ve yinelemeli en küçük kare yönteminin bir kombinasyonunu kullanır. Lityum demir fosfat pillerin farklı SOC değerleri altındaki açık devre voltaj değerleri çift darbe yöntemi ile ölçülmüş, lityum demir fosfat pillerin SOC ve açık devre voltaj değerleri segmentlere göre sabitlenmiştir. Thevenin eşdeğer devre modeli parametrelerinin gerçek zamanlı çevrimiçi tanımlaması, darbe deşarj yöntemi ve özyinelemeli en küçük kareler yöntemi ile gerçekleştirilir. Bu yöntem, elektrikli araçlar için lityum pillerin eşdeğer devre modelinin analizi ve araştırılması için uygun bir yol sağlar.
Referanslar
[1] Zhang Yuxuan Elektrikli araç güç bataryası model parametrelerinin çevrimiçi tanımlanması ve SOC tahmini D Changchun: Jilin Üniversitesi, 2014.
[2] Zhou Meilan, Zhao Qiang, Zhou Yongqin. Lityum demir fosfat pilin SOC'sini tahmin etmek için PSOBP sinir ağı geliştirildi J Harbin University of Science and Technology Dergisi, 2015, 20 (4): 88-92.
[3] Kalmanfilter SOC tahmini için GREGORY L P. LiPB dinamik hücre modelleri A. 19. Uluslararası Elektrikli Araç Sempozyumu Bildirileri C Busan: EVS, 2002: 1860-1871.
[4] Zhang Donghua, Ma Yan, Chen Siqi ve diğerleri. Model parametrelerinin tahmini ve lityum pilin şarj durumu üzerine araştırma J. Wuhan University of Technology Dergisi, 2015, 37 (2): 179-182.
5 Fan Xingming, Zeng Qiuyong, Zhang Xin. Gelişmiş amper-saat entegrasyon yöntemine dayalı elektrikli araç bataryası SOC'nin tahmini ve simülasyonu J. Elektrik Uygulaması, 2015 (8): 111-115.
6 Shang Yunlong, Zhang Chenghui, Cui Naxin ve diğerleri. Yarı rezonanslı LC dönüştürücü ve artırıcı dönüştürücüye dayalı sıfır akım anahtarlamalı ve sıfır voltaj boşluğuna sahip hücreden hücreye bir pil ekolayzır C. IEEE İşlemleri Güç Elektroniği üzerine, 2015, 30 (7): 3731-3747.
