В этом примере показано, как моделировать автомобильный аккумуляторный блок для задач быстрой зарядки постоянного тока. Батарейный блок состоит из нескольких батарейных модулей, которые представляют собой комбинации ячеек последовательно и параллельно. Каждый аккумуляторный элемент моделируется с использованием блока Simscape Electrical Battery (на основе таблиц). В этом примере начальная температура и состояние заряда одинаковы для всех ячеек. Емкость ячейки изменяется в зависимости от производственных допусков или неопределенностей. Три батарейных модуля, два аналогичных и один отличающийся от двух других, соединены последовательно для имитации батарейного блока. Результаты в этом примере предполагают начальную температуру окружающей среды, равную нулю градуса Цельсия. Подсистема управления определяет логику для определения времени зарядки аккумуляторной батареи и тока.
В примере моделируется аккумуляторная батарея, подключенная к вспомогательной силовой нагрузке от холодильника, охладителя или других аксессуаров EV. Подсистема управления определяет, сколько тока зарядное устройство может подавать в батарейный блок на основе измерений состояния заряда элемента, температуры и максимальной скорости C элемента при данной температуре. Блок Controlled_Current_Source в подсистеме портов зарядки постоянного тока BEV моделирует зарядное устройство. Логика, определенная в подсистеме Controls, определяет значение тока. Резистор моделирует высоковольтный кабель и используется для подключения зарядного порта к батарейному источнику питания. Батарейный блок состоит из трех последовательно соединенных батарейных модулей, насчитывающих в общей сложности 130 аккумуляторных элементов.
Аккумуляторный элемент моделируется методом эквивалентной схемы. Эквивалентные параметры схемы, используемые для каждой ячейки, можно найти в ссылке [1]. Для характеристики литий-ионного элемента в этом примере используется модель 2-RC со значениями параметров по умолчанию. Можно использовать параметр изменения номинального значения элемента Ahr, определенный в пользовательском компоненте Battery Module, чтобы ввести изменения емкости элемента между ячейками. В этом примере не рассматривается замирание емкости ячейки или утечка заряда.
Чтобы использовать этот модуль для создания уникального батарейного модуля, сначала укажите количество последовательных и параллельно соединенных ячеек. Затем укажите тип элемента для всех отдельных элементов, выбрав один из следующих параметров параметра Choose cell type блока Battery Module:
Pouch
Can
Compact cylindrical
Regular cylindrical
В этом примере используются ячейки типа пакета. Модуль A и модуль B состоят из 20 последовательно соединенных и двух параллельно соединенных ячеек. Модуль C состоит из 25 последовательно соединенных и двух параллельно соединенных ячеек.
Два выходных порта, SOC и Temp, предоставляют информацию о состоянии заряда и температуре каждой ячейки в модуле. Тепловой порт Amb используется для определения температуры окружающей среды при моделировании. Электрические порты поз и нег определяют электрические положительные и отрицательные выводы соответственно. Два входных порта, FlwR и FlwT, определяют регулирование расхода хладагента батареи и температуру на входе в модуль.
На рисунке ниже показаны примеры элементов батареи в Pouch и Can конфигурации.
На рисунке ниже показаны примеры элементов батареи в Compact cylindrical и Regular cylindrical конфигурации.
Ниже приведены параметры модуля аккумуляторной батареи:
Вектор температур, T - температуры, при которых данные ячейки или модуля для изменяющихся по температуре свойств сводятся в таблицу, определяемые как вектор.
Одиночная ячейка Ahr rating, baseline - емкость ячейки при температурах, определенных в векторе температур, параметр T, указанный как вектор.
Вектор значений состояния заряда, SOC - диапазон значений между 0 и 1, при которых определяются электрические параметры ячейки, определяемый как вектор.
Вектор расхода хладагента, L - значения массового расхода хладагента, при которых определяется справочная таблица для охлаждения ячейки. Этот параметр должен охватывать несколько точек в интересующем диапазоне потоков. Этот параметр определяет размер параметра Эффективная скорость теплопередачи теплоносителя и задается как вектор.
Отсутствие напряжения нагрузки, V0 - значения потенциала разомкнутой цепи ячейки при различных значениях вектора состояния заряда, SOC и вектора температур, Т точек, заданных в виде матрицы.
Терминальное сопротивление, R0 - значения омического сопротивления ячейки при различных векторах значений заряда, SOC и Vector температур, Т точек, заданных в виде матрицы.
Поляризационное сопротивление - значения поляризационного сопротивления при различных значениях вектора состояния заряда, SOC и вектора температур, Т точек, заданных в виде матрицы.
Постоянная времени - постоянная времени при различных векторах значений заряда, SOC и Vector температур, T точек, заданных в виде матрицы.
Тепловая масса ячейки - тепловая масса отдельной ячейки, заданная как скаляр.
Теплопроводность ячейки - проводимость ячейки через плоскость для ячеек пакета и может, или радиальная проводимость для цилиндрических ячеек, заданная как скаляр.
Коэффициент теплопередачи в окружающую среду - значение коэффициента теплопередачи, указанное как скаляр.
Количество последовательно соединенных ячеек Ns - количество строк в последовательности, указанное как целое число.
Число параллельно соединенных ячеек Np - число параллельных ячеек в строке, указанное как целое число.
Выбрать тип ячейки - тип ячейки, указанный как Pouch, Can, Compact cylindrical, или Regular cylindrical.
Высота ячейки - высота ячейки, заданная как скаляр.
Ширина ячейки - ширина ячейки для Pouch и Can ячейки, указанные как скаляр.
Толщина ячейки - толщина ячейки для Pouch или Can ячейки, указанные как скаляр.
Диаметр ячейки - диаметр ячейки для Compact cylindrical или Regular cylindrical, указывается как скаляр.
Количество цилиндрических ячеек в прямой линии - количество цилиндрических ячеек, расположенных в прямой линии для упаковки, указанное как целое число.
Дополнительное суммарное сопротивление - сопротивление, объединяющее все встроенное сопротивление в модуле, указанное как скаляр. Это сопротивление представляет собой сумму сопротивлений элементов, шин, кабелей и/или сварных швов, указанных как скаляр.
Балансировка ячеек - метод балансировки ячеек, указанный как none или passive. В этом примере этот параметр имеет значение none.
Эффективная скорость теплопередачи теплоносителя от каждого элемента - оценка теплового сопротивления (Вт/К) теплопередачи от элементов батареи к теплоносителю, заданная в виде 3-D матрицы скалярных значений. Размер матрицы 3-D зависит от вектора температур, T, вектора расхода теплоносителя, параметров L и NsxNp. Параметр NsxNp - это общее количество ячеек в модуле. Охлаждение батареи представлено в виде справочной таблицы или матрицы 3-D размером [T, L, Ns * Np], и значения вычисляются с использованием подробных методов 3-D, таких как вычислительная динамика жидкости. Значения матрицы зависят от фактической конструкции оборудования системы охлаждения или холодных пластин в модуле. Рабочие характеристики холодной пластины контролируются с использованием входных значений FlwR и FlwT.
Внешнее тепло (External heat) - внешнее тепло, подводимое к каждой ячейке в модуле из-за горячего компонента, расположенного рядом с модулем, указанного как вектор.
Вектор начальной температуры ячейки - начальная температура ячейки, указанная как вектор.
Вектор начального состояния заряда ячейки - начальное состояние заряда ячейки, указанное как вектор.
Вариация рейтинга соты Ahr - вариации емкости соты во всех векторах температур, Т точек для каждой соты, определенные как вектор скалярных значений. Если для этого массива задано значение 1, емкость всех ячеек одинакова. Значения массива для ячейки умножаются на значение, указанное в параметре Single cell Ahr rating, baseline для вычисления фактической емкости или Ahr rating ячейки.
Для определения расхода и температуры охлаждающей жидкости батареи укажите следующие входные данные:
FlwR - значение от 0 до 1, указанное как скаляр. Входное значение FlwR используется для динамического выбора правильного значения расхода во время моделирования. Значение входного сигнала FlwR определяет фактический расход в модуле. В параметре Вектор расхода теплоносителя L значение FlwR, равное 0, означает отсутствие потока, а значение FlwR, равное 1, означает наибольшее значение расхода.
FlwT - положительное или отрицательное значение, которое при суммировании с температурой окружающей среды равно температуре на входе хладагента. Значение + 15 для входа FlwT и 273,15 K для порта Amb делает температуру на входе хладагента равной 273,15 + 15 = 288.15K. Значение -15 для входа FlwT и 273,15 K на Amb делает температуру на входе теплоносителя равной 273,15 - 15 = 258,15 K
В этом примере блок батарей создается путем последовательного соединения трех модулей батарей. Сопротивление моделирует кабельное соединение между отдельными модулями. Источник постоянного тока моделирует ток зарядного устройства и подключается к батарейному блоку с помощью кабеля, смоделированного как сопротивление. Силовая нагрузка через клеммы батареи моделирует потребление энергии из-за холодильника или нагревателя для контура хладагента. Эффективная скорость теплопередачи хладагента от каждого параметра элемента моделирует скорость теплопередачи хладагента батареи. В этом примере все ячейки модуля имеют одинаковую скорость отвода тепла (Вт/К), но это значение отличается от модуля к модулю. В отсутствие подробных данных можно определить одинаковое значение скорости отвода тепла для всех ячеек при всех температурах и скоростях потока. На рисунке ниже показана таблица поиска массива 3-D, Qij, где i = 1: size (T) и j = 1: size (L), определяет скорость отвода тепла в Вт/К для каждой ячейки, где значение температуры равно i, а расход хладагента равен j. Значения линейно интерполируются между числами, заданными в Векторе расхода теплоносителя, L и Векторе параметров температуры T. Реализация системы охлаждения и параметры, такие как Qij, определены на рисунке ниже.
Чтобы обеспечить быструю зарядку, холодный аккумуляторный блок нагревается, чтобы обеспечить прохождение больших токов. Подсистема профиля постоянного тока оценивает постоянный ток как функцию минимальной температуры элемента в батарейном блоке. Температура на входе хладагента является постоянной при 288,15 К и определяется путем установки FlwT на постоянное входное значение 15, а порта Amb - на 273,15 К. Если градиент температуры между ячейками больше пяти градусов Цельсия, подсистема управления потоком уменьшает расход хладагента.
В этом примере используются параметры, определенные в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m файл. Параметры ячейки одинаковы во всех модулях. Внешний источник тепла добавляется к модулю C для моделирования горячих компонентов вокруг него. Температура окружающей среды устанавливается равной нулю градусов Цельсия, модель определяет подходящий профиль постоянного тока, и процент заряда упаковки изменяется. Исходное состояние пачки составляет 20% от состояния заряда. Доступное время зарядки равно 15 минутам. Рассматриваются три случая:
Случай 1 - Транспортное средство надолго припарковано в зоне парковки. Начальная температура ячейки совпадает с температурой окружающей среды. Во время зарядки батарею нагревают, при этом начальное состояние заряда батареи составляет 20%.
Случай 2 - Транспортное средство приводится в движение и немедленно заряжается. Начальная температура аккумуляторной батареи равна 285 К. Батарея нагревается при зарядке, при исходном состоянии заряда батареи, равном 20%. cellInitialTemp переменная рабочей области, определенная в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m , изменяется на значение, равное значению порта Amb плюс 15.
Случай 3 - Транспортное средство приводится в движение и немедленно заряжается. Начальная температура аккумуляторной батареи составляет 285 К. Батарея не нагревается во время зарядки (без дополнительного энергопотребления), при исходном состоянии заряда батареи, равном 20%. cellInitialTemp переменная рабочей области, определенная в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m file, изменяется на значение, равное значению порта Amb плюс 15 и auxLoad имеет низкое значение, равное 1e-4. Расход теплоносителя FlwR устанавливается равным нулю отключением потока теплоносителя внутри подсистемы Controls/Flow_Control, устанавливая значение NoFlow равным 0.
На этом рисунке показаны результаты моделирования трех случаев:
В первом случае батарее требуется время для нагрева. Поскольку температура батареи низкая, величина тока, который она может безопасно принять от зарядного устройства, также является низкой. Суммарное состояние заряда батарейного источника питания повышается от 20% до приблизительно 42% в течение 15 минут процесса зарядки.
Во втором случае начальная температура батареи выше, так что модуль управления может подавать больший ток в батарейный блок. Температура батареи дополнительно повышается из-за тепла. Это позволяет модулю управления подавать больше зарядного тока в аккумуляторную батарею. В результате общее состояние заряда батарейного источника питания повышается от 20% до приблизительно 66% за 15 минут времени зарядки.
Третий вариант представляет собой наилучший сценарий. Система охлаждения или отопления не используется, поэтому отсутствует вспомогательная силовая нагрузка, что приводит к зарядке батареи до 80%. Через 15 минут зарядки восстанавливают около 60% (80% - 20%) чистого заряда.
Т. Хурия, М. Цераоло, Ж. Гаццарри, Р. Джеки. «Высокоточная электрическая модель с термической зависимостью для характеристики и моделирования литиевых аккумуляторных элементов высокой мощности», Международная конференция электромобилей IEEE, март 2012 г.