燃料电池汽车中电池建模及其参数估计

电 源 技 术 研 究 与 设 计 K'x2PJp Arv l了:}}ii}r .fw}rrPJ 燃料电池汽车中电池建模及其参数估计 魏学哲， 邹广楠， 孙泽昌 (同济大学汽车电子研究所，上海200092) 摘要:目前燃料电池汽车大多采用了燃料电池和蓄电池混合的动力系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。研究了燃料电池汽车“超越一号”中铿 离子动力电池，在恒流放电和脉冲放电实验的基础上， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了它的静态和动态特性，并选用了PNGV 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中动力蓄电 池的线性模型，在此基础上，根据该模型慢时变的特点，提出了采用最小二乘法在线辨识铿离子动力电池参数的方 法，并进行了理论分析和仿真研究。结果表明PNGV模型适用于铿离子动力电池，而且只要将电压测量和电流测量的 精度控制在一定范围内，采用上述方法进行参数估计是将是有效的。 关键词:燃料电池汽车;铿离子蓄电池;蓄电池模型 中图分类号:TM 912.9 文献标识码:A 文章编号:1002-087 X(2004)10-0605-04 Modelling and parameter estimation of Li-ion battery in a fuel cell vehicle WEI Xue-zhe, ZOU Guang-nan, SUN Ze-chang (Automotive Electronic Institute of Tongii University, Shanghai 200092, China) Abstract: Considering automotive dynamics and economics ,fuel cell and battery hybrid power system is a major plan .Based on the constant current and pulse current datum ,the static and dynamic characters of Li-ion battery were analyzed ,and a lin- ear model in PNGV battery test manual was adopted .At last a method of on-line parameter estimation for this model was presented. Theoretical analysis and simulation study show that PNGV model is suitable for Li-ion power battery,and as long as voltage and current measurement precision are enough,the above mentioned method is effective. Key words: fuel cell vehicle;Li-ion battery; battery model 近20多年来，可持续发展的概念深人人心，而能源和环 境是可持续发展的核心问题，这两个问题都与汽车工业息息 相关。由于化石能源的短缺和燃油汽车难以最终解决的环境 污染问题，汽车工业重新将目光投回到电动汽车上。根据电动 汽车电力推动力的不同[Dl，大致可以分成纯电动汽车(EV), 混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV )，在以上 电动汽车方案中，燃料电池汽车被普遍认为是可以同时解决 能源与排放问题的绿色环保汽车，是今后汽车发展的主要方 向。 由于目前燃料电池发动机仍存在输出特性较软、输出响 应较慢等缺点，因此在以燃料电池发动机为主动力的电动汽 车动力系统设计上，国内外大多选用蓄电池作为辅助动力源， 在蓄电池的选用上，存在诸多的技术方案，目前的主流是镍氢 蓄电池和锉离子蓄电池，就电池性能而言，铿离子蓄电池具有 比能量高，自放电小，循环寿命长，无记忆效应和对环境污染 小等特点，但是，铿离子蓄电池有很明显的非线性和时变特 ,t，电池各方面的特性如容量、最大允许放电功率、最大允许 充电功率、等效直流内阻等重要参数不能仅仅通过上车前的 收稿日期:2003-12-19 作者简介:魏学哲(1970-)男，河南省人，博士，主要研究方向为汽 车电子。 Bioxraphy:WEl Xue-zhe(1970-), male, Ph D. 测试确定，因为它们在汽车行驶过程中随电池的寿命、充电 态、温度等因素变化，因此需要动态在线估计蓄电池的参数， 才能更有效地进行动力系统功率平衡控制，同时可以使蓄电 池工作在其最佳状态下，从而延长蓄电池的使用寿命，降低电 动汽车的成本。 1 锉离子蓄电池建模 解决建模问题通常有理论分析与试验分析两种方法。理 论分析方法是在已知系统内部规律的基础上推导出系统的动 态方程，这需要对研究对象的动态特性有十分详尽的了解。然 而，对于锉离子蓄电池来说，其内部的物理和化学过程十分复 杂，以电化学理论推导的结果很难和电动汽车动力系统控制 的实际应用相结合，在这种情况下，往往采用试验分析的方法 才能奏效。试验分析的方法需要采集输人输出信号并进行参 数辨识，下面简单分析一下蓄电池在典型信号激励下的特性。 首先先观察一下铿离子蓄电池恒流放电时电池的端电压 与电池的放电深度DOD ( Depth of discharge)之间的关系，如 图1所示。将整条曲线大致分成三段进行讨论。I段中，电压值 有一个比较大的跌幅，此时电池的特性较软;II段，电池两端 的电压变化比较缓慢，这一段是电池主要的工作段，即放电平 台，随着电池不断地被放电，电池容量随之不断地减小，电池 两端的电压近似线性下降;III段4，电池两端的电压又急剧下 vo12s Na 1005Oct. 2004 万方数据 电 源 技 术 — 研 究 与 设 计 }/}'ieeJe }ocvvuz}’a}:}Ore}r.}cvtrv}J 跌，表示电池的容量已经接近于零，电池也不再有工作能力。 ? ? ? ? ? ? ? ? ??? 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 0.3 C充电CAarged 放电Discharge 卜 ， 、 ‘ 泊 .5 .0 .5 一砚1 U,甲R,T , .5 .0 0 20 40 60 80 100 DOD(%) 图1铿离子蓄电池恒流充放电特性曲线 Fig.l Li-ion battery constant current charge and discharge curves Fig.3 1.0，厂 1.00 h 图3 动力铿离子蓄电池 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 模型 Li-ion power battery electric circuit model 在燃料电池汽车上，由于采用“电一电混合”的方案，蓄 电池的DOD仅在约30%-70%之间，因此，可以认为蓄电池 仅在图1中11段工作，在这一区间，蓄电池可以被近似线性 化为电容特性，该电容值为OQ /o以其中△Q为DOD变化量 与蓄电池容量的乘积，而△U为对应于△Q的电压变化值，由 于铿离子蓄电池相对于镍氢电池和阀控铅酸蓄电池(VRLA), 其放电平台坡度较大，因此其电容特性更加明显。 其次，再观察蓄电池脉冲充放电的特性，脉冲放电特性反 映了电池的动态特性，如图2所示，该图是用Arbin电子负载 对单体锉离子蓄电池进行脉冲电流放电的电压响应曲线。在 t =25s时给单体电池加上一50A的脉冲放电电流，持续时间 为5s。从图中不难看出，蓄电池电压在t =25 s时的垂直下 降，表现为由于电阻引起的压降，而从t =25 s到t=30s缓 慢下降，表现为极化引起的压降，这部分压降与惯性系统的响 应比较类似，因此脉冲响应可以用一个惯性环节来近似。 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0 1000 2000 3 000 4 000 5 000 6 000 tls 图4 模型的电流脉冲激励电压响应曲线 Fig.4 Impulse current activated voltage response in battery model 4.02 4.00 3.98 3.96 394 35.0侧】 45.000 t1s 55.000 65.000 。 ? ? ? ? ? ? ? ? 图2 铿离子蓄电池的实际电流脉冲激励电压响应曲线 Fig.2 Impulse current activated voltage response in real battery 基于以恒流放电和脉冲放电特性分析，结合燃料电池汽 车中蓄电池的应用条件，我们选择了PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)中推荐使用的二阶线性化电路模 型，如图3所示。 模型中的R，可以看成是图2中I段中电池表现出的部 分阻性，Rz和CZ并联的组合可以较好地反映电池的动态特 性，而把理想电动势E和大电容C结合起来反映了图I中II 段中的那一段较平缓的放电平台。 图4为采用PNGV的蓄电池模型，加上与图3同样的脉 冲电流激励得到的电压响应曲线。 从图3、图4比较我们可以看出真实电池电压响应曲线 与采用PNGV仿真得到的电压响应曲线非常接近，这就说明 本系统中选用PNGV所推荐的蓄电池模型是合理的。 由于蓄电池的工作性能随着蓄电池所处的环境温度t，蓄 电池本身的荷电状态(SOC)以及蓄电池的寿命(SOH)的变 化而发生改变，故该模型中的这些参数具有时变性，是t、 SOC, SOH的函数。 2 基于模型的在线参数辨识 在图3所示的电路模型中，如果能确定该模型当中R,, C?R2,CZ ,E的值，则可以完整地确定该模型。其中，蓄电池处 于稳态时的开路电压E较易准确测出，R,,C?凡、Q等四个参 数也可通过恒流放电试验和脉冲放电试验得到，然而当电池 安装到车上后，在实车运行过程中，很难施加试验所需的典型 信号，而由于以上各参数的时变性，只有在线估计出以上参 数，才能对整车动力系统功率平衡算法提供帮助，因此只能利 用其运行时实际的输人输出数据进行参数辨识。另外，虽然模 型中的参数是时变的，但由于温度t, SOC, SOH都具有累积 特性，因此以上各参数不可能变化很快，只需在达到一定条件 时才进行一次参数的辨识，如汽车启动时、温度或SOC变化 超过一定范围时、累计运行超过一定时间等，具体的触发条件 将根据整车动力系统的设计和控制特性决定。若将电流I作 为激励，将电压U作为响应，参数辨识的框图如图5所示。 如图5所示，首先根据离线测试和数据处理的结果，给 Ri,C,,RZ,Q赋以初值，实时在线测量实际电池的电流和电 压，并将实测的电流值送人模型进行计算，得出计算的电压 值，将计算的电压值和实测的电压值进行比较，采用最小二乘 法进行参数估计。 万方数据 电 源 技 术 研 究 与 设 计 冻汤月尸矛~夕了丫解、甲 万;蔽?公 实际电池 电池模型 根据模型计 算的电压值 计算最小 二乘值 调整参数 初始参数 其中单电池模型结构由图3确定，R,, Q, R,,Q,E实测得到; 2.用实车运行时蓄电池的电流时间历程，作为模型的电 流激励，计算其电压响应; 3.在电流测量端和电压测量端分别加人随机干扰信号; 4对电流测量和电压测量进行切比雪夫滤波处理; 5.计算滤波后的电压输出和实测电压输出之间的差值， 采用最小二乘法进行参数估计R,,RZC2,C,; 6.评估计算值和实测值之间的差异。 表 ， 在干扰作用下参数估计结果 Tab.1 Parameter estimation results under inference? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?蓄电池管理 系统软件 评估参数 SOC, SOH Fig.5 根据图3 氏变换算子 图5 锉离子动力电池参数辨识模型 Li-ion battery parameter estimation model 所示的模型，可导出下列频域算式，其中5为拉 U (s)=I(S)风+与 (S)十E+ C's R2 RZCZS + 1 1(S) (1) 加以变换得 U (s)一E=1(s)(R,+ C's R, +— ) (2) RZCZS+1 令输出为y(s)= U(s)-E，输人为U(s)=I(s)，则模型的传递函数为 R, R, C,C,SZ+(R, C,+R, C2+R,C, )s+1，，_、 yls)=一 ~一一一一，二气护二一下，一穿一一 一- Uls) 找2‘,‘ 2s一+L,S R, s2·‘R,( +R, C,合·告，‘·1R2 C, C,，，、 (3) R2C2 因为，C,, CZ很大，R, , R2，很小， 1 1 所以 下下二:厂 乓与t-2 - 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 I碱性原电池 2铿一二氧化锰原电池 3小型密封铅酸蓄电池(阀控式).第1部分:一般要求， 功能特性，试验方法 4小型密封铅酸蓄电池(阀控式).第2部分:尺寸，极柱 及标识 5固定型铅酸蓄电池一 般要求和试验方法.第1部分: 开口型 6圆柱形密封福镍单体蓄电池 7固定型锡镍可再充单体电池 8密封式金属氢化物镍可充单体电池 9便携式铿蓄电池 10磷酸型燃料电池发电系统的一般规则 11磷酸型燃料电池的加速寿命试验方法 12一级标准太阳电池 25非晶太阳电池组件环境和耐久性试验方法 26非晶太阳电池和组件的输出功率的室外测量方法 27光伏系统用铅酸蓄电池剩余容量的测量程序 28光伏系统用高放电率的铅酸蓄电池的试验过程 29启动型铅酸蓄电池 30摩托车用铅酸蓄电池 31牵引型铅酸蓄电池.第1部分:一般要求和试验方法 32牵引型铅酸蓄电池.第2部分:电池尺寸和电池电极 标识 33可充金属氢化物镍蓄电池的负极吸氢合金的放电 能力测量方法 ANSI美国国家标准 13二级标准晶体太阳电池 14晶体太阳电池输出功率测定方法 巧晶体太阳光伏组件输出功率测量方法 16晶体太阳电池和组件光谱响应的测量方法 17晶体太阳电池和组件的输出电压和输出电流温度 系数的测量方法 18晶体太阳电池及组件输出功率的室外测量方法 19二级标准非晶体太阳电池 20二级级标准非晶体太阳能次组件 21非晶太阳电池输出功率的测量方法 22非晶太阳能组件输出功率的测量方法 23非晶太阳电池和组件的光谱响应测量方法 24非晶太阳电池和组件的输出功率和输出电流的温 度系数测量方法 1固定型锅镍蓄电池组规格 2蓄电池组.密封可充的镐镍圆柱形裸电池及有外壳 的电池 3在循环温度和湿度环境下光伏组件的试验方法 4非聚能光伏二级标准电池的标定试验方法 5船用光伏组件盐水浸湿压力试验和温度测试的试验 方法 6光伏组件绝潮的综合试验方法 7测定光伏组件机械集成性的试验方法 8燃料电池动力装置 需要上述标准文献全文者请与天津市科学技术信息研 究所文献馆联系。 联系人:马朝霞 022-23519491 :022-23519800 ? 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E-mail: wzq@tjlink.tisti.ac.en Vo1.28 No.10No.106o技 Oct. 2004 万方数据