基于虚拟仪器的钠离子电池性能测试方法研究

汪若冰

(桐城师范高等专科学校，安徽 安庆 231400)

过去几十年间，锂离子电池在移动设备、电动汽车和储能站中得到了广泛应用。然而，考虑到锂储量和价格，亟需找到一种新型的替代品[1]。由于钠储量丰富并且价格便宜，因而钠离子电池被认为是最有潜力的锂离子电池替代品[2]。随着钠离子电池在工业生产中的广泛应用，对钠离子电池的输出稳定性和负载均衡性提出了更高的要求，需要构建钠离子电池的输出稳定性控制模型，并对钠离子电池性能进行测试，因此相关钠离子电池性能测试方法的研究受到人们极大关注[3]。近几年对钠离子电池性能的研究相继取得了重要进展，研究体系也在不断丰富[4]。对钠离子电池的稳定性测试是建立在对钠离子电池的参数优化调节基础上，为实现钠离子电池性能准确测试的目标，本文提出基于虚拟仪器的钠离子电池性能测试方法。通过仿真实验测试，验证了本文方法在提高钠离子电池性能测试能力和测试输出稳定性方面的优越性能。

1 控制约束参量和电池输出稳定性控制

1.1 控制约束参量分析

为实现基于虚拟仪器的钠离子电池性能测试，需要构建钠离子电池性能的约束参量模型，将输出功耗、电池交流阻抗、出口侧电阻、电力负荷等参数作为控制约束参量。采用电源间歇性波动调节方法，分析钠离子电池的单极性特征分布集[5]，得到钠离子电池的三相电压源变换的特征参量为：

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(1)

Z3=Req+Zs

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

Zm=jωLm

(7)

构建变换器交流侧电压的模糊参数模型，采用虚拟仪器辨识方法对采集到的钠离子电池性能参数进行自动寻优，寻优函数为：

(8)

根据上述分析，构建钠离子电池的性能参数模糊补偿模型，表示为：

(9)

1.2 钠离子电池的输出稳定性控制

采用三相交流电流阻抗抑制方法进行钠离子电池的输出稳定性控制，建立钠离子电池功率[7]和负载的均衡匹配模型，结合交流变换和输出稳定性调节方法进行钠离子电池的输出扰动抑制。其中钠离子电池的输出为：

(10)

其中，

(11)

(12)

根据钠离子电池的直流电容和充放电功率，进行钠离子电池交流侧电压转换[8]，方程为：

根据瞬时功率调节方法，得到钠离子电池储能装置的输出稳定性调节方程，表示为：

(16)

式中，v表示钠离子电池储能信号[9]，x1是电压相量E与U的相角差，x2是电流环输出特征分量，h为激磁电动势，由此完成钠离子电池输出稳定性控制模型的构建。

2 钠离子电池性能测试优化

2.1 基于虚拟仪器的电池输出性能调节

虚拟仪器是将现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。虚拟仪器充分融合了计算机的运算、存储、回放显示及文件管理等功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合从而构成一台与传统仪器功能完全相同的全新的虚拟仪器系统。虚拟仪器系统结构如图1所示。

图1 虚拟仪器系统结构

采用虚拟仪器进行电池输出性能调节，其具体过程如下。

分析钠离子电池漏磁系数k1和虚拟转子角频率kβ，引入控制环节输出的虚拟电势，得到钠离子电池的动态功率波动，表示为：

(17)

其中，

(18)

(19)

最终求得钠离子电池的吸收/释放的瞬时功率[10]为：

(20)

根据瞬时功率计算结果，获取钠离子电池效率，其计算公式为：

(21)

采用电池效率控制方法，得到有功功率变化量为：

(22)

其中，钠离子电池的功率均分系数为μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2为钠离子电池的虚拟仪器测试参数，基于虚拟仪器的电池输出性能调节公式为：

(23)

2.2 电池性能测试的输出稳定性控制与负载均衡设计

采用动态功率波动调节方法，构建钠离子电池性能测试的输出稳定性控制模型，表示为：

(24)

式中，z1，z2是钠离子电池的输出稳定性状态特征参数，y是有功功率，z3是升压比例，β1，β2，β3分别是不同交流角频率。在动态调节过程中，进行钠离子电池的虚拟同步转换调节，得到钠离子电池的虚拟转换控制系数，表示为：

(25)

式中，α1,α2是吸收/释放的瞬时功，kp,kd是瞬时功率平衡系数。通过稳态功率变换方法，得到钠离子电池性能测试输出的负载均衡调节函数为：

(26)

(27)

3 仿真测试分析

为测试本文方法在实现钠离子电池性能测试中的应用效果，进行仿真测试分析。设定钠离子电池输出电压额定值为120V，输出直流电感为45mH，空载电势有效值为24V。根据上述参数设定，进行钠离子电池的输出稳定性测试，得到输入端的参数测试结果如图2所示。

图2 输入端的参数测试结果

根据图2的输入端参数测试结果，进行钠离子电池性能测试。本文通过构建钠离子电池性能测试的模糊稳态控制模型，结合钠离子电池输出参数自适应寻优的方法进行钠离子电池优化测试，其中参数调节结果如图3所示。

图3 钠离子电池的参数调节结果

根据图3的参数调节结果，进行钠离子电池性能测试，测试结果如图4所示。

(a)输出波动幅值

(b)无功功率变化实验波形图4 输出参数测试结果

分析图4得知，本文方法进行钠离子电池性能测试，输出的稳定性较好，实验结果与仿真结果一致，提高了钠离子电池性能测试精度。

结语

本文提出基于虚拟仪器的钠离子电池性能测试方法。构建钠离子电池性能的约束参量模型，采用电源间歇性波动调节方法获取钠离子电池的单极性特征分布集，构建钠离子电池性能测试的模糊稳态控制模型，通过对钠离子电池的输出参数自适应寻优方法进行钠离子电池优化测试和输出参数的自动匹配调节，能够有效提升钠离子电池的输出稳定性。分析得知，采用本文方法进行钠离子电池性能测试的输出稳定性较好，参数寻优能力较强，提高了钠离子电池的性能。