Табличная модель батареи
Simscape/Электрический/Источники
Блок Battery (Table-Based) представляет высокоточную модель батареи. Блок вычисляет напряжение без нагрузки как функцию уровня заряда и необязательную температуру с помощью интерполяционных таблиц и включает несколько опций моделирования:
Саморазряд
Затухание батареи
Динамика заряда
Старение календаря
Примечание
Блок может использовать линейную или ближайшую интерполяцию и экстраполяцию для всех табличных параметров. Для строк и столбцов он следует соглашению строка-столбец, в то время как строки индексируются первыми, а впоследствии и столбцами.
График показывает батарею, эффективность которой изменяется с изменением температуры и состояния заряда, как обычно встречается на таблице данных.
Используйте этот блок, чтобы параметризовать батареи со сложным поведением без нагрузки из таблиц данных или экспериментальных результатов. Для более простого представления батареи смотрите блок Battery.
Блок Battery (Table-Based) имеет четыре варианта моделирования, доступных путем щелчка правой кнопкой мыши по блоку в вашей блок-схеме и затем выбора соответствующей опции из контекстного меню, в разделе Simscape > Block choices:
Uninstrumented | No thermal port - базовая модель, которая не выводит уровень заряда батареи и имитирует при фиксированной температуре. Этот вариант моделирования является вариантом по умолчанию.
Uninstrumented | Show thermal port - Модель с пустым тепловым портом. Эта модель не выводит внутренний уровень заряда батареи.
Instrumented | No thermal port - Модель с пустым выходным портом заряда. Эта модель использует фиксированную температуру на протяжении всей симуляции.
Instrumented | Show thermal port - Модель, которая позволяет выводить внутренний уровень заряда батареи. И тепловой порт, и выходной порт заряда открыты.
Инструментальные варианты имеют дополнительный порт физического сигнала, который выводит внутреннее состояние заряда. Используйте эту функциональность, чтобы изменить поведение нагрузки как функцию от состояния заряда, без сложности создания оценки состояния заряда.
Варианты теплового порта открывают тепловой порт, который представляет тепловую массу батареи.
Можно также выбрать различные встроенные параметризации для этого блока. Для получения дополнительной информации см. раздел «Предопределенная параметризация».
Эквивалентная схема батареи состоит из основной модели батареи, RSD сопротивления саморазряда, модели динамики заряда и последовательной R0 сопротивления.
Блок вычисляет напряжение без нагрузки или напряжение на основной модели батареи путем интерполяции:
Где:
v0 - напряжение без нагрузки батареи. Задайте сетку интерполяционных значений с помощью параметра No-load voltage, V0(SOC,T), если параметры сведены в таблицу по температуре или No-load voltage, V0(SOC) иначе.
SOC
- отношение тока заряда к номинальной емкости батареи, заданное в параметре Ampere-hour rating, AH(T) наряду с эффектами зависящего от температуры изменения процента затухания в ампер-часовом диапазоне, δAH(n, Tfade), заданное в параметре Percentage change in ampere-hour rating, dAH(N, Tfade). Задайте точки прерывания SOC, используя параметр Vector of state-of-charge values, SOC. Блок оценивает номинальную емкость батареи на основе количества циклов и температуры батареи путем интерполяции заданных зависимых от температуры характеристик затухания и параметра Ampere-hour rating, AH(T).
SOC
представляет нормированные данные относительно qnom.
Для опции характеристик затухания, основанной на интерполяционной таблице,
Для основанного на уравнении опции характеристик затухания,
Наконец, SOC
получено из следующего уравнения.
Где:
qnom - номинал батареи в ампер-час. Задайте это значение с помощью параметра Ampere-hour rating, AH(T).
N - ссылка количество циклов разряда, в течение которого вы задаете процентное изменение нескольких параметров батареи. Установите это значение с помощью параметра Number of discharge cycles, N.
n - текущее количество циклов батареи.
δAH - процентное изменение номинала батареи в ампер-часах после N циклов разряда.
T - температура батареи. Задайте T точки останова, используя параметр Vector of temperatures, T, если свести параметры в таблицу по температуре.
Блок также моделирует R0 сопротивления ряда как функцию от состояния заряда и необязательной температуры. Задайте сетку интерполяционных значений для сопротивления ряда с помощью параметра Terminal resistance, R0(SOC,T), если свести параметры в таблицу по температуре или Terminal resistance, R0(SOC) иначе.
Когда клеммы батареи разомкнуты, все еще возможно, чтобы внутренние токи разрядили батарею. Такое поведение называется саморазрядом. Чтобы включить этот эффект, установите параметр Self-discharge равным Enabled
.
Блок моделирует эти внутренние токи с зависящим от температуры сопротивлением, RSD(T) через выводы основной модели батареи. Можно задать значения поиска для этого сопротивления, используя параметр Self-discharge resistance, Rleak(T), если свести параметры в таблицу по температуре или Self-discharge resistance, Rleak иначе.
Батареи не могут мгновенно реагировать на изменения нагрузки. Им требуется некоторое время для достижения устойчивого состояния. Это изменяющееся во времени свойство является результатом динамики заряда батареи и моделируется с помощью параллельных сечений RC в эквивалентной схеме.
Можно смоделировать динамику заряда батареи с помощью параметра Charge dynamics:
No dynamics
- Эквивалентная схема не содержит параллельных сечений RC. Нет задержки между напряжением контакта и внутренним зарядным напряжением батареи.
One time-constant dynamics
- Эквивалентная схема содержит одну параллельную секцию RC. Задайте постоянную времени, используя параметр First time constant, tau1(SOC,T), если табличные параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC) иначе.
Two time-constant dynamics
- Эквивалентная схема содержит две параллельные секции RC. Задайте временные константы, используя параметры First time constant, tau1(SOC,T) и Second time constant, tau2(SOC,T), если свести в таблицу параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC) и Second time constant, tau2(SOC) иначе.
Three time-constant dynamics
- Эквивалентная схема содержит три параллельные секции RC. Задайте временные константы, используя параметры First time constant, tau1(SOC,T), Second time constant, tau2(SOC,T) и Third time constant, tau3(SOC,T), если свести в таблицу параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC), Second time constant, tau2(SOC) и Third time constant, tau3(SOC) в противном случае.
Four time-constant dynamics
- Эквивалентная схема содержит четыре параллельные секции RC. Задайте временные константы, используя параметры First time constant, tau1(SOC,T), Second time constant, tau2(SOC,T), Third time constant, tau3(SOC,T) и Fourth time constant, tau4(SOC,T), если свести в таблицу параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC), Second time constant, tau2(SOC), Third time constant, tau3(SOC) и Fourth time constant, tau4(SOC) в противном случае.
Five time-constant dynamics
- Эквивалентная схема содержит пять параллельных секций RC. Задайте временные константы, используя параметры First time constant, tau1(SOC,T), Second time constant, tau2(SOC,T), Third time constant, tau3(SOC,T), Fourth time constant, tau4(SOC,T) и Fifth time constant, tau5(SOC,T), если свести в таблицу параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC), Second time constant, tau2(SOC), Third time constant, tau3(SOC), Fourth time constant, tau4(SOC) и Fifth time constant, tau5(SOC) в противном случае.
Эта схема показывает эквивалентную схему для блока, сконфигурированного с двумя динамиками постоянной времени.
На схеме:
R1 и R2 являются параллельными RC-сопротивлениями. Задайте эти значения с First polarization resistance, R1(SOC,T) и Second polarization resistance, R2(SOC,T) параметрами, соответственно, если свести в таблицу параметры по температуре или First polarization resistance, R1(SOC) и Second polarization resistance, R2(SOC) иначе.
C1 и C2 являются параллельными RC емкостями. Временная константа, τ для каждого параллельного сечения, связывает R и C значения с помощью отношения . Задайте τ для каждого раздела, используя параметры First time constant, tau1(SOC,T) и Second time constant, tau2(SOC,T), соответственно, если свести в таблицу параметры по температуре или First time constant, tau1(SOC) и Second time constant, tau2(SOC) иначе.
R0 - сопротивление ряда. Задайте это значение с параметром Terminal resistance, R0(SOC,T), если параметры табличные по температуре или Terminal resistance, R0(SOC) иначе.
Затухание батареи - это ухудшение эффективности батареи по сравнению с повторяющимися циклами заряда и разряда. Когда параметр Fade characteristics defined by установлен в Equations
, затухание батареи моделируется следующим образом.
Напряжение без нагрузки на основной модели батареи исчезает пропорционально количеству циклов разряда n:
Где δv0 - процент изменения напряжения без нагрузки после N циклов разряда. Задайте δv0 с помощью параметра Change in no-load voltage after N discharge cycles (%).
Номинальный заряд, от которого вычисляется состояние заряда, исчезает с квадратным корнем из числа циклов разряда:
Все сопротивления в модели батареи также исчезают с квадратным корнем из числа циклов разряда:
Где:
Ri является ith сопротивление
δRi - процентное изменение этого сопротивления по N циклам
В зависимости от того, как вы сконфигурировали блок, сопротивления могут включать:
Последовательное сопротивление - Задайте процент изменения за N цикла с помощью параметра Change in terminal resistance after N discharge cycles (%).
Сопротивление саморазряда - Задайте процент изменения за N цикла с помощью параметра Change in self-discharge resistance after N discharge cycles (%).
Сопротивление первой динамики зарядов - Задайте процент изменения за N цикла с помощью параметра Change in first polarization resistance after N discharge cycles (%):.
Сопротивление динамики второго заряда - Задайте процент изменения за N цикла с помощью параметра Change in second polarization resistance after N discharge cycles (%).
Третье сопротивление динамики заряда - Задайте процент изменения за N цикла с помощью параметра Change in third polarization resistance after N discharge cycles (%).
Сопротивление четвертой динамики зарядов - Задайте процентное изменение по N циклам с помощью параметра Change in fourth polarization resistance after N discharge cycles (%).
Сопротивление пятой динамики зарядов - Задайте процентное изменение по N циклам с помощью параметра Change in fifth polarization resistance after N discharge cycles (%).
Примечание
Можно также смоделировать характеристики затухания батареи с помощью интерполяционных таблиц (не зависящих от температуры) или интерполяционных таблиц (зависящих от температуры). Выбор любой из этих двух опций изменяет параметры блоков соответственно. Для получения дополнительной информации см. вкладку Параметры затухания.
Для тепловых вариантов блока температура батареи определяется из суммирования всех омических потерь, включенных в модель:
Где:
M th - тепловая масса батареи .
i соответствует ith омический вклад потерь. В зависимости от того, как вы сконфигурировали блок, потери могут включать:
Сопротивление ряда
Сопротивление саморазряда
Первый сегмент динамики зарядов
Второй сегмент динамики зарядов
Третий сегмент динамики зарядов
Четвертый сегмент динамики зарядов
Пятый сегмент динамики зарядов
VT,i - падение напряжения на резисторе i.
RT,i резистор i.
Можно смоделировать ухудшение эффективности батареи, которое происходит, когда батарея не используется. Старение календаря влияет как на внутреннее сопротивление, так и на емкость. В частности, увеличение сопротивления зависит от различных механизмов, таких как создание Solid Electrolyte Interface (SEI) как на аноде, так и на катоде и коррозия токоприемника. Эти процессы в основном зависят от температуры хранения, состояния заряда и времени.
Вы можете смоделировать старение календаря в блоке Battery (Table-Based), установив параметр Calendar aging model на:
Equation-based
Tabulated: temperature
Tabulated: time and temperature
Это уравнение определяет терминальное увеличение сопротивления батареи из-за календарного старения:
где:
Voc является Normalized open-circuit voltage during storage, V/Vnom.
R0 является Internal resistance.
ti - временная выборка, выведенная из параметра Vector of time intervals.
Ti определяется из параметра Vector of temperatures.
b является Linear scaling for voltage, b.
c является Constant offset for voltage, c.
d является Temperature-dependent exponential increase, d.
a является Time exponent, a.
q - элементарный заряд электрона, в С.
k - константа Больцмана, в J/K.
Если вы устанавливаете параметр Storage condition равным Specify state-of-charge during storage
блок преобразует состояние заряда во время хранения в нормированное разомкнутое напряжение с помощью табличного V0 напряжения в зависимости от состояния заряда и температуры во время хранения.
Устаревшее терминальное сопротивление является продуктом между терминальным сопротивлением, R0(SOC,T), процентным увеличением сопротивления, dR0 и законом степени, который описывает временную зависимость календарного старения:
где:
T - температура батареи. Задайте T точки останова, используя параметр Vector of temperatures, T, если свести параметры в таблицу по температуре.
Tst является Vector of storage temperatures.
tst,i и tst,i-1 являются временными выборками, полученными из Vector of time intervals.
t0 принято равным null.
tst,m - момент времени, в который измеряется увеличение сопротивления, dR0.
Устаревшее терминальное сопротивление является продуктом между терминальным сопротивлением, R0(SOC,T) и dR0:
Существует несколько доступных встроенных параметров для блока Battery (Table-Based).
Эти данные предварительной параметризации позволяют настроить блок для представления компонентов определенными поставщиками. Параметризации этих батарей соответствуют таблицам данных производителя. Чтобы загрузить предопределенную параметризацию, щелкните гиперссылку Select a predefined parameterization в маске блока Battery (Table-Based) и выберите элемент, который вы хотите использовать, из списка доступных компонентов.
Имеющиеся предварительно параметризованные данные модели устойчивые состояния электрические параметры литий-ионного аккумулятора. Изменение сопротивления последовательно со временем цикла батареи, тепловой массой и параметрами динамической RC-сети не параметризованы. Вместо этого сетевое сопротивление резисторов RC-сети суммируется с последовательным сопротивлением конкретных предварительно параметризованных данных. Если вам нужно заполнить данные параметра RC, вычитайте сетевое сопротивление RC-сети из последовательных данных сопротивления.
Имеющиеся данные параметризованы для тока разряда 1C для до 99% глубины разряда. Для одной температуры заданы простые параметры затухания.
Примечание
Предопределенные параметризации компонентов Simscape используют доступные источники данных для подачи значений параметров. Инженерные суждения и упрощающие допущения используются для заполнения недостающих данных. В результате следует ожидать отклонений между моделируемым и фактическим физическим поведением. Чтобы гарантировать необходимую точность, вы должны проверить моделируемое поведение на основе экспериментальных данных и уточнить модели компонента по мере необходимости.
Функция быстрого построения графика позволяет вам визуализировать характеристику напряжения-заряда для значений параметров модели батареи. Чтобы построить график характеристик, щелкните правой кнопкой мыши блок Battery (Table-Based) в модели и в контекстном меню выберите Electrical > Basic characteristics. Программа автоматически вычисляет набор условий смещения на основе значений параметров блоков и открывает окно рисунка, содержащий график напряжения без нагрузки от состояния заряда (SOC) для блока. Для получения дополнительной информации смотрите Графические основные характеристики для блоков батарей.