考虑综合影响的氢镍电池改进模型研究

2016-03-11李培强李欣然

电源技术 2016年4期

关键词：阻容端电压等效电路

胡京，李培强，李欣然

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

考虑综合影响的氢镍电池改进模型研究

胡京，李培强，李欣然

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

针对传统阻容等效电路模型不能直观反映电池内部的极化现象，提出一种带衰减因子的分段数学模型。在此基础上，进一步对温度、充放电速率、自放电、循环使用次数等影响因素进行研究，得到温度和充放电速率是影响氢镍电池性能的主要因素。通过对模型参数的修正，建立了考虑综合影响因素的氢镍电池等效电路模型。给出了电池参数的辨识方法，在Simulink中分别建立充电和放电模块。对比仿真与实测结果，该模型具有较高的精确度，并且适应性更广。

氢镍电池；阻容模型；影响因素

以风能、太阳能为代表的可再生能源，其发电出力具有很强的不稳定性[1]。储能系统在平滑分布式电源的输出和提高电网稳定性方面发挥着重要作用[2]。氢镍电池作为一种高能绿色充电电池，广泛应用于电动汽车领域，并作为储能装置接入微网。氢镍电池的工作性能很大程度受到环境温度、充放电速率、自放电、循环使用次数等因素的影响，所以既要建立精确的模型，又要考虑上述因素。

氢镍电池的等效电路主要有3种模型，分别是内阻模型、PNGV模型、二阶阻容模型。内阻模型将电池等效为理想电压源和内阻的串联，是最简单的等效电路模型，其结构过于简单且精度不高[3]。PNGV模型是在内阻模型的基础上增加了一个RC环节和一个电容，比起内阻模型精度要高很多，但只用一个RC环节来描述极化现象并不准确[4]。二阶阻容模型包括电池开路电压，欧姆内阻，表示电池的电化学极化和浓差极化的两个RC环节，模型精度高，可准确反应电池的极化现象[5-6]。二阶阻容模型在仿真中取得了不错的结果，并且运算过程不是很复杂。综上所述，本文选择阻容模型作为单体的等效电路模型。

1 等效电路模型及其电路分析

氢镍电池的二阶阻容模型如图1所示。电池的极化包括欧姆极化、电化学极化、浓差极化，为欧姆内阻，用来描述欧姆极化过程；为电化学极化内阻，与并联的阻容环节用来描述电池的电化学极化现象；为浓差极化内阻，与并联的阻容环节用来描述电池的浓差极化现象；为电池的开路电压，表示电池两极的平衡电位之差；为电池的端电压。

图1 阻容模型等效电路

受电池极化现象的影响，电池在充电和放电瞬间，电池端电压突升和突降，在充放电结束时，电池的端电压有逐渐调整的过程。由于传统的阻容电路模型不能明显反映极化现象对电池端电压的影响，为了更直观反映这一现象，通过对电池充放电时和充放电停歇时两个阶段进行的电路分析，在阻容模型的基础上，提出改进后的分段数学模型[7]。

当电池未处在充放电状态时，电池内部没有极化现象，端电压即开路电压。当电池处在充放电过程时，由于有电流流过，欧姆极化使得电极电势偏离其平衡值，电化学极化和浓差极化处于逐渐增强的趋势，使得产生的极化电压逐渐升高。当电池处在充放电结束时，由于没有电流流过，欧姆极化消失，电化学极化和浓差极化处于逐渐减弱的趋势，使得产生的极化电压逐渐下降。根据电路知识，建立带有衰减因子的分段函数，充放电过程，等效电路中的两个RC环节为零状态响应，充放电停歇时，等效电路中的两个RC环节为零输入响应。

定义未充电时电流为零，充电时电流值为正，放电时电流值为负。为环节的电压，为环节上的电压。电池端电压为：

充放电时，满足式(2)：

充放电停歇时，满足式(3)：

2 等效电路模型参数辨识

2.1 模型参数辨识实验

2.2 模型参数辨识

由于充电与放电过程的参数辨识类似，只对充电模型参数辨识进行说明。为电池的开路电压，静置后的各值对应的电压值即电池的开路电压。欧姆内阻可根据欧姆定律求得，在每个点上，在脉冲电流的作用下，电压变化量除以脉冲电流，等于充电时电池内阻。

两个RC环节的辨识可根据脉冲充电响应曲线求得，当卸掉脉冲电流后，电池电压缓慢下降，反映了电容向电阻放电的过程，即为零输入响应，表达式为：

脉冲充电时电压缓慢上升的曲线反应两个RC并联环节电压上升的过程，即为零状态响应，表达式为：

表1 充电模型参数

表2 放电模型参数

3 影响电池的主要因素及模型参数修正

3.1 环境温度

温度是影响电池充放电性能的主要因素，温度对电池性能的影响主要表现在电池容量和内阻两个方面。大量研究表明，氢镍电池的容量在20℃时处于最大值，随着温度的升高或降低，容量逐渐降低，但电池处于高温时的容量明显高于低温时的容量[8]。

通过在不同温度下对6.2 Ah氢镍电池进行小电流放电实验，得到电池容量与温度关系曲线，如图2所示。采取二次多项式拟合，可得到环境温度与可用容量的函数关系：

图2 氢镍电池1/3放电容量与温度关系曲线

环境温度对氢镍电池的内阻影响也很大，而对其它参数的影响可以忽略不计。内阻对电池的影响主要反映在端电压上，1放电倍率下，氢镍电池高温时端电压与常温相比相差很小，约0.03 V，低温时端电压与常温相比相差较大，约0.15 V[8]。在不同温度下以相同的充放电倍率进行充放电实验，得到一系列与端电压的关系曲线，在20%≤≤80%范围内基本平行。只要知道电压偏移量与温度之间的关系，就可在不同温度下，对电池的内阻进行修正，即：

表3 不同温度、SOC下内阻的修正量 mΩ

3.2 充放电倍率

在不同的放电倍率下，电池放出的电量是不同的，随放电倍率的增加，电池的可用容量减少。通过在常温下对6.2 Ah氢镍电池单体进行不同倍率放电实验，得到电池的容量与放电倍率的关系曲线如图3所示。

图3 氢镍电池放电容量与放电倍率关系曲线

3.3 自放电

自放电是电池中普遍存在的现象，电池静置一段时间后，电解液中杂质的存在会导致电池电量的损失。为了寻找氢镍电池的自放电规律，将电池分别静置5天，10天，15天，30天，60天，再放电至截止电压，计算其剩余电量。电池的损失容量与静置时间关系曲线如图4所示。

图4 氢镍电池放电容量与放置时间关系曲线

3.4 循环使用次数

随着电池的使用次数增加，电池的老化因素也是影响电池性能的一个重要因素。电池内部无数次的化学反应产生的金属游离物质以及电解质都能破坏电极，电解质对电极的侵蚀会给电池带来巨大损害。老化程度越深，放电容量损失越大。为了寻找氢镍电池的老化规律，将电池分别进行不同次数的循环充放电，进而测试电池的损失容量。电池的损失容量与循环次数关系曲线如图5所示。

图5 氢镍电池的容量损失与循环次数的关系曲线

4 模型的仿真与验证

4.1 建立模型

为验证RC模型及其参数的准确性，根据之前辨识的参数及内阻和容量的修正，在Matlab/Simulink中搭建电池分段数学模型。使用安时计量法计算的变化。

4.2 模型验证

常温(20℃)下6.2 Ah氢镍电池分别以不同倍率(1/3，1/2，1)放电，实验数据与仿真结果及模型修正前的放电曲线对比如图6～图8所示。高温(40℃)和低温(－20℃)下以1/3放电，实验数据与仿真结果及模型修正前的放电曲线对比如图9～图10所示。

图6 常温时1放电端电压曲线比较

图7 常温时1/2放电端电压曲线比较

图8 常温时1/3放电端电压曲线比较

图9 高温时1/3放电端电压曲线比较

图10 低温时1/3放电端电压曲线比较

由图6～图8对比曲线可知，不同充放电倍率下，充放电倍率越大，放出的容量越小，修正后的模型能明显反映不同倍率对电池容量的影响。由图9～图10的对比曲线可知，高温时电池的内阻和容量变化不大，而低温时电池的内阻变大，容量变小。修正后的模型更接近实验数据，说明修正后的模型能反映温度对电池端电压及容量的影响。

5 结论

对氢镍电池极化现象及其等效电路进行分析研究，提出改进的分段数学模型。考虑到氢镍电池的滞回特性，分别建立充电和放电模型，并给出参数辨识方法。通过研究温度、充放电速率、自放电、循环使用次数等影响因素，对模型的容量和内阻进行修正。对比实验与仿真数据，模型具有较高的精确度。

[1]BURKE A.Ultracapacitors:why how，and where is the technology[J]. Journal of Power Sources，2000，91(1):37-50.

[2]王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32(20)：1-4.

[3]JOHNSON V H.Battery performance models in ADVISOR[J].Journal of Power Sources，2002(110):321-329.

[4]赵鑫.基于模糊逻辑系统的电动车用MH-Ni电池建模[J].自动化技术与应用，2009，28(1)：109-112.

[5]李国洪，吴静臻，刘鲁源.基于RC等效电路的动力电池SOC估计算法[J].天津大学学报，2007，40(12)：1453-1457.

[6]邵海岳，钟志华，何莉萍，等.电动汽车用NiMH电池建模及基于状态空间的SOC预测方法[J].汽车工程，2004，26(5)：534-537.

[7]武国良，朱春波，陈清泉.一个带衰减因子的电池分段数学模型研究[J].电机与控制学报，2009，13(1)：189-192.

[8]范美强，廖维林，吴伯荣，等.电动车用MH-Ni电池温度特性研究[J].电池工业，2004，9(6)：287-289.

Study on equivalent model and its influencing factors of Ni-MH battery

The classical battery equivalent circuit model cannot reflect the effects to battery terminal caused by electrochemical and concentration polarization，a piecewise mathematical model with decay factor was proposed.On this basis， the temperature， rate of charge and discharge， self-discharge， cycle times and other factors were analyzed， demonstrating that the first two factors are the main factors.A Ni-MH battery equivalent circuit model considering the comprehensive factors was proposed.The identification method of battery parameters was given，the charge and discharge modules were established in Simulink.By comparing simulation with experimental results，the model has higher accuracy and wider adaptability.

Ni-MH battery;RC model;influencing factor

TM 912

1002-087 X(2016)04-0810-04