В этом примере показано, как смоделировать автомобильный блок батарей для задач быстрой зарядки постоянного тока. Блок батарей состоит из нескольких модулей аккумуляторов, которые являются комбинациями камер последовательно и параллельно. Каждый элемент батареи моделируется с помощью блока Battery (Table-Based) Simscape Electrical. В этом примере начальная температура и состояние заряда одинаковы для всех камер. Мощность камеры изменяется в зависимости от производственных допусков или неопределенностей. Три модуля аккумуляторов, два одинаковых и один отличный от двух других, соединены последовательно, чтобы имитировать блок батарей. Результаты в этом примере предполагают начальную температуру окружающей среды, равную нулю степени Цельсия. Подсистема Controls задает логику, чтобы определить блок батарей время зарядки и ток.
Пример моделирует блок батарей, соединенный со вспомогательной степенью от холодильника, охладителя или других аксессуаров EV. Подсистема Controls определяет, сколько тока зарядное устройство может подавать в блок батарей, основываясь на измерениях камеры состояния заряда, температур и максимальной камеры C-скорости при заданной температуре. Блок Controlled_Current_Source в подсистеме порта зарядки постоянного тока BEV моделирует зарядное устройство аккумулятора. Логика, заданная в подсистеме Controls, определяет значение тока. Резистор моделирует кабель HV, и он используется для подключения порта зарядки к блоку батарей. Блок батарей состоит из трех последовательно соединенных аккумуляторных модулей, в общей сложности 130 элементы батареи.
Элемент батареи моделируется с помощью метода эквивалентной схемы. Эквивалентные параметры схемы, используемые для каждой камеры, можно найти в ссылке [1]. Чтобы охарактеризовать литий-ионную камеру, этот пример использует модель 2-RC со значениями параметров по умолчанию. Можно использовать параметр изменения рейтинга Cell Ahr, заданный в собственном компоненте Battery Module, чтобы ввести в камеру изменения емкости ячейки в ячейку. В этом примере не учитываются утечки камеры емкости или заряда.
Чтобы использовать этот модуль для создания уникального модуля батареи, сначала укажите количество последовательно и параллельно соединенных камер. Затем укажите тип камеры для всех отдельных камер, выбрав один из следующих опций для параметра Choose cell type блока Battery Module:
Pouch
Can
Compact cylindrical
Regular cylindrical
Этот пример использует камеры типа пакета. Модуль A и модуль B состоят из 20 последовательно соединенных и двух параллельно соединенных камер. Модуль C состоит из 25 последовательно соединенных и двух параллельно соединенных камер.
Два выходных порта, SOC и Temp, обеспечивают информацию о состоянии заряда и температуре каждой камеры в модуле. Тепловой порт Amb используется для определения температуры окружающей среды в симуляции. Электрические порты pos и neg определяют электрические положительные и отрицательные выводы, соответственно. Два входных порта, FlwR и FlwT, определяют регулирование скорости потока жидкости охлаждающей жидкости и температуру на входе в модуль.
Рисунок ниже показывает примеры элементов батареи в Pouch
и Can
строения.
Рисунок ниже показывает примеры элементов батареи в Compact cylindrical
и Regular cylindrical
строения.
Вот параметры в модуле аккумулятора:
Вектор температур, T - Температуры, при которых данные камеры или модуля для изменяющихся по температуре свойств сведены в таблицу, заданную в виде вектора.
Рейтинг Ahr одной камеры, базовый уровень - Емкость камеры при температурах, заданных в Векторе температур, параметр T, заданный как вектор.
Вектор значений состояния заряда, SOC - Область значений значений от 0 до 1, при котором заданы электрические параметры камеры, заданный как вектор.
Вектор расхода хладагента, L - Значения хладагента массового расхода жидкости при которых задана интерполяционная таблица для камеры охлаждения. Этот параметр должен охватывать несколько точек в интересующей области значений потока. Этот параметр определяет размер параметра Эффективной скорости теплопередачи хладагента и задается как вектор.
Нет напряжения нагрузки, V0 - Камера значений потенциала разомкнутой цепи в различных Векторах значений состояния заряда, SOC и Вектор температур, Т точек, заданных в виде матрицы.
Терминальное сопротивление, R0 - значения омического сопротивления камеры в различных Векторах значений состояния заряда, SOC и Вектор температур, Т точек, заданных в виде матрицы.
Сопротивление поляризации - Значения сопротивления поляризации в различных Векторах значений состояния заряда, SOC и Вектор температур, Т точек, заданные в виде матрицы.
Постоянная по времени - Постоянная по времени в разных Векторах значений состояния заряда, SOC и Вектор температур, Т точек, заданных как матрица.
Тепловая масса камеры - тепловая масса одной камеры, заданная в виде скаляра.
Камера теплопроводность - Камера проводимость через плоскость для пакета и может камеры, или радиальная проводимость для цилиндрических камер, заданная как скаляр.
Коэффициент теплопередачи к окружающему - значение коэффициента теплопередачи, заданное как скаляр.
Количество последовательных связанных камер Ns - Количество последовательных строк, заданное в виде целого числа.
Количество параллельных связанных камер Np - Количество параллельных ячеек в строке, заданное в виде целого числа.
Выберите тип камеры - тип камеры, заданный как Pouch
, Can
, Compact cylindrical
, или Regular cylindrical
.
Высота камеры - высота камеры, заданная как скаляр.
Ширина камеры - ширина камеры для Pouch
и Can
камеры, заданные как скаляр.
Толщина камеры - толщина камеры для Pouch
или Can
камеры, заданные как скаляр.
Диаметр камеры - диаметр камеры для Compact cylindrical
или Regular cylindrical
, заданный как скаляр.
Количество цилиндрических камер в прямой линии - Количество цилиндрических камер, расположенных по прямой для упаковки, заданное в виде целого числа.
Дополнительное полное сопротивление - Сопротивление, которое объединяет все встроенные сопротивления в модуле, заданные как скаляр. Это сопротивление является суммой сопротивления вкладки камеры, шины, кабеля и/или сварного шва, заданной в виде скаляра.
Балансировка камер - метод балансировки камер, заданный как none
или passive
. В этом примере этот параметр устанавливается на none
.
Эффективная скорость теплопередачи теплоносителя от каждой камеры - 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 хладагента, параметров L и NsxNp. Параметр NsxNp является общим количеством камер в модуле. Охлаждение батареи представлено в виде интерполяционной таблицы или 3-D матрицы размера [T, L, Ns * Np], и значения вычисляются с помощью подробных методов 3-D, таких как вычислительная динамика жидкости. Значения матрицы зависят от фактического аппаратного проекта системы охлаждения или холодных пластин в модуле. Эффективность холодного диска контролируется с помощью входных значений FlwR и FlwT.
Внешнее тепло - Вход внешнего тепла в каждую камеру в модуле из-за горячего компонента, расположенного около модуля, заданный как вектор.
Вектор начальной температуры камеры - начальная температура камеры, заданная в виде вектора.
Вектор начальной камеры состояния заряда - Камера начальное состояние заряда, заданное как вектор.
Камеры оценки Ahr - изменения пропускной способности ячейки в камере при всех векторах температур, T точек для каждой камеры, заданные как вектор скалярных значений. Если установить этот массив равным 1, вся емкость камеры одинаковая. Значения массива для камеры умножаются на значение, заданное в параметре Single cell Ahr rating, baseline для вычисления фактической емкости или Ahr rating камеры.
Чтобы определить скорость потока жидкости и температуру теплоносителя батареи, задайте следующие входы:
FlwR - Значение от 0 до 1, заданное как скаляр. Входное значение FlwR используется для динамического выбора правильного значения скорости потока жидкости во время симуляций. Значение входа FlwR определяет фактическую скорость потока жидкости в модуле. В Вектор расхода теплоносителя L параметр FlwR, равный 0, означает отсутствие потока, в то время как FlwR, равный 1, означает наивысшую скорость потока жидкости значение.
FlwT - положительное или отрицательное значение, которое при суммировании с температурой окружающей среды равняется температуре на входе хладагента. Значение + 15 для входа FlwT и 273,15 K в порту Amb делает температуру входного отверстия теплоносителя равной 273,15 + 15 = 288.15K. Значение -15 для входных параметров FlwT и 273,15 K для Amb делает температуру на входе теплоносителя равной 273,15 - 15 = 258,15 K
В этом примере блок батарей создается путем последовательного подключения трех модулей батарей. Сопротивление моделирует кабельное соединение между отдельными модулями. Источник тока постоянного тока моделирует ток зарядного устройства, и он соединяется с блоком батарей с помощью кабеля, смоделированного как сопротивление. Степень через клеммы батареи моделирует потребление степени из-за охладителя или нагревателя для контура хладагента. Эффективная скорость теплопередачи хладагента от каждого параметра камеры моделирует скорость теплопередачи хладагента батареи. В этом примере все камеры модуля имеют одинаковую скорость отвода тепла (Вт/К), но это значение отличается от модуля к модулю. В отсутствие подробных данных можно задать одинаковое значение скорости отвода тепла для всех камер при всех температурах и скоростях потока жидкости. Рисунок ниже показывает интерполяционную таблицу трехмерный массив, Qij, где i = 1: size (T) и j = 1: size (L), определяет скорость отвода тепла в Вт/К для каждой камеры, где значение температуры равняется i и скорость потока жидкости хладагента равна j. Значения линейно интерполированы между числами, которые вы задаете в Векторе расхода хладагента, параметрах L и Vector температур T. Реализация системы охлаждения и параметры, такие как Qij, определены на рисунке ниже.
Чтобы обеспечить быструю зарядку, холодный блок батарей нагревается, чтобы позволить прохождение больших токов. Подсистема профиля тока постоянного тока оценивает ток постоянного тока как функцию от минимальной температуры камеры в блок батарей. Температура на входе хладагента постоянна на уровне 288,15 К и определяется установкой значения FlwT на постоянное входное значение 15 и порта Amb на 273,15 К. Если градиент температуры между ячейками больше пяти градусов Цельсия, подсистема управления потоком уменьшает расход хладагента.
Этот пример использует параметры, определенные в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m
файл. Параметры камер одинаковы во всех модулях. Внешний источник тепла добавляется к модулю C, чтобы смоделировать горячие компоненты вокруг него. Температура окружающей среды устанавливается равной нулю степеней Цельсия, модель определяет подходящий профиль тока постоянного тока и изменяется процент заряда упаковки. Начальное условие пакета равно 20% от состояния заряда. Доступное время зарядки равно 15 минутам. Рассматриваются три дела:
Корпус 1 - транспортное средство припарковано на парковке в течение длительного времени. Начальная температура камеры совпадает с температурой окружающей среды. Аккумулятор нагревается во время зарядки, начальное состояние заряда аккумулятора составляет 20%.
Корпус 2 - транспортное средство управляется и немедленно заряжается. Начальная температура элемента батареи равна 285 К. Аккумулятор нагревается во время зарядки, начальное состояние заряда батареи равняется 20%. The cellInitialTemp
переменная рабочей области, заданная в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m
файл изменяется на значение, равное значению порта Amb плюс 15.
Корпус 3 - транспортное средство управляется и немедленно заряжается. Начальная температура элемента батареи составляет 285 К. Батарея не нагревается во время зарядки (без потребления вспомогательной степени), начальное состояние заряда батареи составляет 20%. The cellInitialTemp
переменная рабочей области, заданная в ee_lithium_pack_DCFC_ini.m file
, изменяется на значение, равное значению порта Amb плюс 15 и auxLoad
устанавливается на низкое значение, равное 1e-4. Скорость потока жидкости хладагента FlwR устанавливается на нуль путем отключения потока хладагента внутри подсистемы Controls/Flow_Control, установки значения NoFlow на 0.
Этот рисунок показывает результаты симуляции трех случаев:
В первом случае аккумулятору требуется время, чтобы нагреться. Поскольку температура батареи низкая, количество тока, которое она может безопасно принять от зарядного устройства, также мало. Состояние блока батарей нетто возрастает с 20% до приблизительно 42% в течение 15 минут процесса зарядки.
Во втором случае начальная температура батареи выше, поэтому модуль управления может вводить больше тока в блок батарей. Температура батареи еще больше повышается из-за жары. Это позволяет модулю управления вводить больше зарядного тока в блок батарей. В результате блока батарей чистое состояние заряда повышается с 20% до примерно 66% за 15 минут времени зарядки.
Третий случай представляет оптимальный сценарий. Система охлаждения или обогрева не используется, поэтому нет вспомогательной силовой нагрузки, что приводит к зарядке батареи до 80%. Около 60% (80% - 20%) нетто заряда восстанавливается через 15 минут времени зарядки.
Т. Хурия, М. Чераоло, Дж. Газзарри, Р. Джеки. «High Fidelity Electrical Model with Thermal Dependence for Characterization and Simulation of High Power Lithium Элементы Батареи», IEEE International Electric Vehicle Conference, March 2012