《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于等效電路分析的航空鋰電池工作特性研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
王順利1,，2,，尚麗平1,，2,，舒思琦1，夏承成1,，屈 維1
1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,，四川 綿陽621010; 2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621010
摘要： 針對(duì)航空鋰電池安全保障問題,，提出了一種基于等效電路模型的鋰電池工作特性分析方法,。該方法通過PNGV等效電路處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空鋰電池物理反應(yīng)過程的電路模擬,，并基于此研究了航空鋰電池的工作特性,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航空用75 Ah鋰電池等效電路的有效模擬,，等效模型能夠有效分析不同條件下的電池工作狀態(tài)，獲得鋰電池工作特性規(guī)律,，為鋰電池的安全航空應(yīng)用提供保障,。
中圖分類號(hào)： TP302.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)05-0137-04
中文引用格式：王順利,尚麗平,舒思琦,夏承成,屈維.基于等效電路分析的航空鋰電池工作特性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(05):137-140.
Aeronautical lithium battery work character study based on equivalent circuit analysis
Wang Shunli1，2,，Shang Liping1,，2，Shu Siqi1,，Xia Chengcheng1,，Qu Wei1
1.School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010,，China,； 2.Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province，Mianyang 621010,，China
Abstract： An aeronautical lithium battery work character analysis method is proposed based on equivalent circuit model, aiming to solve its security guarantee problem. The method is realized by constructing the equivalent circuit processing, which realizes its equivalent circuit simulation. And the work character of the aeronautical lithium battery is studied based on this method. The experimental results show that this method can achieve the equivalent circuit simulation of the aeronautical 75 Ah lithium batteries. The equivalent model can effectively analyze the battery work state under different conditions, providing the regular pattern of its operating characteristics. The proposed method provides security guarantee for the lithium battery aeronautical application.
Key words : lithium battery,；equivalent circuit,；work character；state evaluation,；security guarantee

    

0 引言

    航空應(yīng)急用的蓄電池具有高能量密度,、高功率密度、小體積等要求,，鈷體系鋰電池由于具有以上顯著優(yōu)點(diǎn)成為其首選應(yīng)急用能源,。然而在應(yīng)用過程中，鋰電池存在過充或過放后將會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞性影響,、不正常工作狀態(tài)下將會(huì)導(dǎo)致自燃等安全問題,。波音787飛機(jī)鋰電池燃燒、特斯拉汽車鋰電池自燃等事故給鋰電池推廣應(yīng)用帶來極大阻礙,。由于材料和工藝所無法避免的差異性問題,，構(gòu)建合理模型對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行模擬，以及對(duì)其工作狀態(tài),、特性和性能作有效評(píng)價(jià)是非常有必要的,。

    通過建立有效理論模型來分析電池的性能和工作狀態(tài)是現(xiàn)在世界公認(rèn)的研究熱點(diǎn)，如Daowd Mohamed等人對(duì)不同模型進(jìn)行對(duì)比分析研究[1],， Attidekou Pierrot S.等人對(duì)等效電路模型展開分析[2],。針對(duì)所構(gòu)建模型的具體應(yīng)用，肖蕙蕙等人對(duì)其模型應(yīng)用于電動(dòng)汽車適用性展開分析[3],，楊陽等人把等效電路模型結(jié)合SOC估計(jì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車供能狀況研究[4],。在考慮溫度[5]、老化[6],、循環(huán)壽命[7]等因素對(duì)電池性能影響的基礎(chǔ)上,，研究者展開相關(guān)深入研究工作并取得一定成效，如鋰電池快速充電應(yīng)用探索[8]等,。

    本文針對(duì)航空鋰電池應(yīng)用中的安全保障問題,，基于等效電路分析，對(duì)鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,。通過分析所構(gòu)建模型不同條件下的反應(yīng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作特性分析，為航空鋰電的應(yīng)用提供安全保障,。

1 理論分析

1.1 鋰電池工作原理

    在鋰電池充電過程中,，鋰離子在外部電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下從正極經(jīng)過電解液和聚合物電解質(zhì)膜（隔膜）轉(zhuǎn)移至負(fù)極。在鋰電池放電過程中,，鋰電池兩電極之間經(jīng)過負(fù)載構(gòu)成回路,，在兩極之間電壓差的驅(qū)動(dòng)下，電子由負(fù)極向正極移動(dòng)；鋰電池內(nèi)部,，鋰離子從負(fù)極經(jīng)過電解液和隔膜轉(zhuǎn)移至正極,，反應(yīng)過程如圖1所示。

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1.2 等效電路模型分析

    在模型構(gòu)建過程中,，把鋰電池有效等效為恒壓源,、電阻和電容所構(gòu)成的電路，構(gòu)建鋰電池等效電路模型如圖2所示,。在構(gòu)建過程中,，改進(jìn)Thevenin模型，忽略電池的自放電過程,，并加上一個(gè)與理想電壓源串聯(lián)的電容,。這個(gè)電容用于表征負(fù)載電流的變化對(duì)時(shí)間的累積效應(yīng)所導(dǎo)致的開路電壓變化的影響。通過這種方式,，可以反映SOC和開路電壓的變化,，彌補(bǔ)了Thevenin電路的不足。

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    根據(jù)此PNGV等效電路模型,，可以寫出該電路的狀態(tài)方程：

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其中τ=CtranRtran,。在分析過程中，通過對(duì)當(dāng)前容量與額定容量的比值荷電狀態(tài)(State of Charge,，SOC)的計(jì)算過程,，實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作狀態(tài)的有效表征， SOC計(jì)算方程如下：

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1.3 模型構(gòu)建方法研究

    等效電路中的元件參數(shù)可以通過HPPC試驗(yàn)在不同溫度下測出不同SOC值對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,，通過這些狀態(tài)方程和SOC計(jì)算方程,，可以在MATLAB中建立模型進(jìn)行仿真，進(jìn)而得到電池端電壓隨時(shí)間的輸出曲線,。輸入為負(fù)載電流,、電池的SOC初值、電池容量和溫度,，輸出為電池的端電壓,。

    針對(duì)鋰電池的PNGV等效電路模型在MATLAB中建立模型，主要包含三部分：(1)針對(duì)給定負(fù)載電流,，采用SOC計(jì)算方程建立SOC實(shí)時(shí)計(jì)算模塊,；(2)利用建模對(duì)象在不同溫度下辨識(shí)出的PNGV模型參數(shù)來建立PNGV等效電路參數(shù)模塊,；(3)建立PNGV等效電路子模塊,。將這3個(gè)模塊組合起來即可構(gòu)成鋰電池PNGV等效電路的總模型，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

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    將這三部分模塊對(duì)應(yīng)的輸入,、輸出參量相連，可以構(gòu)建PNGV狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)模型，如圖4所示,。

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    (1)SOC實(shí)時(shí)計(jì)算部分

    荷電狀態(tài)SOC子模塊的輸入為負(fù)載電流,、電池的SOC初值、電池的容量,。負(fù)載電流即電池在對(duì)負(fù)載供電時(shí)流過負(fù)載的電流,，由于電池放電時(shí)的庫倫效率為1，所以該電流即為電池的放電電流,。電池的SOC初值即電池在該放電狀態(tài)之前靜置狀態(tài)下的電量與額定電量的百分比值,，如SOC為1表示電池電量還有100%，即電池為滿電量,。電池的容量即電池為滿電量時(shí)的電荷量值,，單位為Ah。

    將式(2)中所述的SOC計(jì)算方程在MATLAB中構(gòu)建模型以進(jìn)行實(shí)現(xiàn),，分別對(duì)所需電流值,、SOC初始值和電量初始值進(jìn)行輸入?yún)?shù)接口設(shè)定，構(gòu)建的SOC估算子模塊如圖5所示,。

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    電池容量的輸入通過乘以3 600進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化,，因?yàn)榻Ｋ玫亩际菄H單位制，電流單位用安培,，為了計(jì)算出正確的SOC值,，必須將容量乘以3 600，即將安時(shí)(Ah )轉(zhuǎn)化為安秒(As)用于計(jì)算,。

    (2)PNGV等效電路參數(shù)模型構(gòu)建

    根據(jù)與SOC,、溫度相關(guān)的各個(gè)參數(shù)的擬合函數(shù)表達(dá)式，可以建立PNGV等效電路參數(shù)模塊,。每次輸入不同SOC初值和溫度值,，就可以得到對(duì)應(yīng)的PNGV等效電路的參數(shù)。所獲參數(shù)輸入到之后的計(jì)算模塊,，該子模塊構(gòu)建結(jié)果如圖6所示,。

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    (3)PNGV等效電路子模塊構(gòu)建

    通過狀態(tài)方程，可在MATLAB中建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,，將第二部分參數(shù)模塊中的對(duì)應(yīng)參數(shù)輸入到該模塊作為參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,，可得到該時(shí)刻的端電壓。由于第一部分模塊中的SOC是隨時(shí)間變化的,，第二部分模塊中各個(gè)等效元件的參數(shù)是根據(jù)SOC和溫度確定出的擬合函數(shù)來確定的,，所以其輸出結(jié)果也是隨時(shí)間變化的，又由于該部分PNGV等效電路子模塊的輸入為前面模塊的隨時(shí)間變化的參數(shù),，所以端電壓的值也是隨時(shí)間變化的,。這樣就可以得到端電壓隨時(shí)間的輸出曲線,。SOC實(shí)時(shí)計(jì)算子模塊如圖7所示。

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2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 不同溫度實(shí)驗(yàn)研究

    以0.3C5 A(C5表示用5小時(shí)將電池電量全部放完所能得到的容量,，由于電池的放電容量與放電條件有很大關(guān)系,，在討論容量時(shí)就必須同時(shí)說明放電條件，C5就是放電條件,，該式表示充放電電流為0.3×額定容量值)的恒流工況來測試該模型,。負(fù)載電流由信號(hào)發(fā)生器提供，持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1 000 s(時(shí)間坐標(biāo)軸上t=200~1 200),。仿真時(shí)間設(shè)置為2 000 s,。在不同溫度下分別得到輸出端電壓隨時(shí)間變化的曲線，如圖8所示,。

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2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    通過上述不同溫度調(diào)節(jié)下的實(shí)驗(yàn)研究,，可以找到不同條件下電壓特性變化過程的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)并進(jìn)行分析研究，以用于安全保護(hù),。

2.2.1 相同點(diǎn)及分析

    端電壓的輸出最初有一個(gè)突然下降的過程,，下降幅度隨溫度下降而提升。造成該現(xiàn)象的原因是：PNGV等效電路模型中,，電池的等效內(nèi)阻在流過負(fù)載電流時(shí)產(chǎn)生了壓降,，該現(xiàn)象與實(shí)際電池特性相符。

    在端電壓突然下降后,，端電壓有一個(gè)緩慢下降的短時(shí)過程,，之后端電壓與時(shí)間呈線性關(guān)系繼續(xù)下降。造成該現(xiàn)象的原因是：PNGV等效電路模型中,，RC回路用來等效電池的極化效應(yīng),，該RC回路在最初流過負(fù)載電流時(shí)的零狀態(tài)響應(yīng)導(dǎo)致電池端電壓有一個(gè)緩慢短時(shí)下降的過程；在零狀態(tài)響應(yīng)之后,，輸出端電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài),，輸出端電壓則繼續(xù)呈線性下降。該現(xiàn)象與實(shí)際電池特性相符,。

    在放電結(jié)束后端電壓也有一個(gè)突然上升的過程,，幅值隨溫度下降而提升，之后端電壓有一個(gè)緩慢上升的過程,，然后恢復(fù)至當(dāng)前SOC值所對(duì)應(yīng)的開路電壓值,。造成該現(xiàn)象的原因：端電壓突然上升是因?yàn)榈刃?nèi)阻產(chǎn)生的壓降在負(fù)載電流消失后隨即消失；端電壓之后的緩慢上升過程是由RC回路的零輸入響應(yīng)造成的,，在沒有負(fù)載時(shí),，電池的PNGV等效電路呈開路狀態(tài)，輸出端電壓值與當(dāng)前SOC值所對(duì)應(yīng)的開路電壓值相等,，該現(xiàn)象和實(shí)際電池特性相符,。

2.2.2 不同點(diǎn)及分析

    低溫度時(shí)的輸出端電壓值的下降程度要比高溫度時(shí)的輸出端電壓值下降的程度大。

    低溫度時(shí)輸出端電壓的最大差值比高溫度時(shí)輸出端電壓的最大差值更大,，即隨溫度降低而提升,。

    在放掉相同的SOC值后，低溫度時(shí)的開路電壓差值比高溫度時(shí)的開路電壓差值更大,。

    造成該現(xiàn)象的原因是：電池在低溫度時(shí)的極化效應(yīng)強(qiáng)度要大于高溫度時(shí)的極化效應(yīng)強(qiáng)度,，因此在低溫度時(shí)PNGV等效電路對(duì)應(yīng)的RC回路的等效參數(shù)值要比高溫度時(shí)的值大，所以低溫度時(shí)RC回路的零狀態(tài)和零輸入響應(yīng)對(duì)電池端電壓值的影響要比高溫度時(shí)大,。而在電池靜置的狀態(tài)下開路電壓差異則是由于電池在不同溫度下的化學(xué)特性的不同所導(dǎo)致,。

    通過這兩個(gè)波形可以看出，低溫度時(shí)電池的端電壓值下降要比高溫度時(shí)迅速,，即高溫度時(shí)的電池端電壓輸出特性要比低溫度時(shí)穩(wěn)定,。航空用鋰電池在高溫度時(shí)的端電壓輸出特性在要優(yōu)于其低溫度時(shí)的端電壓輸出特性。

3 結(jié)語

    本文提出了一種航空鋰電池工作特性分析方法,。該方法通過等效電路的有效模擬,，實(shí)現(xiàn)對(duì)其反應(yīng)過程的特性表征?；诖朔椒ㄑ芯考捌淠Ｐ蜆?gòu)建,，航空鋰電池在不同條件下的工作特性得到分析研究，得到了不同溫度條件下鋰電池的工作狀態(tài)和輸出特性,。該方法的提出對(duì)鋰電池工作過程分析和航空鋰電的應(yīng)用安全保障起到重要作用,，為鋰電工作機(jī)理分析提供參考價(jià)值。

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