SS电池-蓄电池的建模

SS电池-蓄电池的建模

蓄电池的容量限制了电网的发展，本文详细建立了蓄电池的等效电路模型，分析了其充放电进程，这关于蓄电池的开发利用具有重要含义。

关键词：蓄电池；等效电路模型；充放电

引言：本文介绍了电池模型的分类、蓄电池的容量、影响蓄电池容量的要素，并进一步对蓄电池进行建模，分析了其充放电进程和工作原理，这关于蓄电池的开发利用有重要含义。

1 电池模型分类

现在电池模型可分为三类: 试验模型，电化学模型和电路模型。其间，电路模型能够反映出电池的电气特性，适用于仿真研讨。依据电路的电池模型有简略电池模型、一阶RC模型、二阶动态模型甚至更高阶次的电池模型等。简略电池模型仅由一个恒压源与一个电阻串联得到，但过于理想化，未考虑电池SOC与电压的对应联系，不能反映电池的动态特性。电池的一阶RC模型将电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻两部分，并联电容用于模仿电池在极化发生和消除进程中所展现出的动态特性，此模型能够较好地模仿电池特性，且结构简略，但是此模型中选用的电源为恒压源，同样未考虑电池SOC与电池端电压的对应联系。至于更高阶的电池模型，结构比较复杂，而且参数分离困难。

2 蓄电池的容量

蓄电池的容量能够分为理论容量、实践容量和额外容量。理论容量是将活性物质的质量按法拉第定律核算而得到的最高理论值；实践容量是指蓄电池在一定条件下所能输出的电量，其值小于理论容量；额外容量是依照国家或许有关部门颁发的规范，蓄电池在一定放电条件下放电至最低极限时，输出的电量。

3 影响蓄电池容量的要素

影响蓄电池实践容量的要素有多种，如蓄电池放电电流、温度、停止电压等。放电电流越大，电池能够开释的电量越小，由于极化和内阻的存在，电流增大使蓄电池端电压敏捷下降，导致蓄电池容量下降。跟着电解液温度的升高，蓄电池的实践容量增大，反之减小。当铅酸蓄电池放电至某电压值之后，其电压将会急剧下降，持续放电实践上取得的容量很少，其含义不大，相反还会对蓄电池的使用寿命形成不良影响。

电池的剩下容量通常用荷电状况（state of charge， ）来表征。 的数值界说为电池剩下容量与电池容量的比值：

（3.1）

式（3.1）中：Qr为电池的剩下容量（Ah）；C为电池的容量（Ah）。

由于 无法直接从电池本身取得，现在使用比较广泛的实时估计蓄电池 的办法为安时计量法。若蓄电池充放电起始状况时，荷电状况为 ，那么当时状况下的 为：

（3.2）

4 蓄电池建模

常用的蓄电池模型中等效电路模型最适合系统动态特性的仿真研讨。现在常见的几种典型的等效模型电路三阶动态模型最常用。

 

图4.1 蓄电池三阶等效模型

 

图4.2 蓄电池通用等效电路模型

图4.1能够看出蓄电池三阶等效模型由主反响支路和辅反响支路两部分组成。主反响支路包括的元件有：Rp（欧姆极化电阻）、Rd（电荷转移电阻）、Rw（分散电阻）、Cw（分散电容）以及Ew（蓄电池开路电压）。辅反响支路部分的元件有：Rgas（析气电阻）和 Egas（析气电压）。图4.1和4.2中其它参数的物理含义：UB为蓄电池端电压、IB为蓄电池运行电流、Igas为辅反响支路的析气电流、Im为主反响电流[1]。

蓄电池实践容量能够用蓄电池实践工作电流 、电解液实践温度 和蓄电池参阅条件下的容量来表明：

 （4.1）

式（4.1）中， 为蓄电池在参阅工作电流 和电解液参阅温度 下的蓄电池容量，为电解液的冰点温度， 、δ、ε为经历系数。

在蓄电池充放电进程中电解液的温度并不是固定不变的，它会跟着充放的进行而改变，在仿真分析中假定蓄电池各部分电解液温度都相等，可得到电解液温度 的核算公式为（4.2）：

 （4.2）

式（4.2）中， 为电池热容， 为电池与环境间的热阻， 为电池内阻损耗的功率， 为环境温度。

在蓄电池中，容量和荷电状况（SOC）是用来表征蓄电池标准的两个重要参数。其间，容量单位为Ah，是指蓄电池在放电条件下，由满电荷状况到端电压将至停止电压时所需要的安培—小时数。

除了荷电状况（SOC）外还有另一个状况变量来描述蓄电池的剩下电量，即充电深度（DOC），它表明蓄电池的剩下容量与依照当时的条件进行放电所具有的容量的比值。

（4.3）

（4.4）

当电池充满电时 为1； 是电池的放电量（Ah），能够由下式核算到：

（4.5）

式（4.5）中： 为蓄电池的充放电电流，设放电时 为正，充电时 为负；η为充放电功率，针对特定品种的蓄电池经过试验得到。

依据蓄电池电动势和蓄电池荷电状况之间的联系，能够将蓄电池电动势的核算公式表达为：

（4.6）

式（4.6）中， 表明 时的蓄电池电动势， 表明 时的蓄电池电动势。

充电操控器经过储能电池的SOC来进行充放电操控。电池充满时SOC=SOCmax，放电结束时SOC=SOCmin。

蓄电池的模型参数表明如下：

开路电压（Em）

（4.7）

欧姆极化电阻（Rp）

（4.8）

电荷转移电阻（Rd）

（4.9）

分散电阻（RW）

（4.10）

分散电容（CW）

 

在蓄电池充电进程中，能量由电能转化为电池中的化学能，在能量转化的进程中，除了会发生主反响外还会发生副反响。关于铅酸蓄电池，副反响主要指的是电解析气反响。跟着充电的进行，析气电流 成指数方式增加，同时主反响电流随之减小。终究，充电电流悉数变成析气电流，电池内部电压不再持续升高。副反响支路的电压电流联系能够用析气电导 描述，其电压电流联系能够由下式给出：

 

式（4.12）中， 均为经历参数。副反响支路发生的能量丢失能够用析气电阻描述， ，副反响发生的热量 由焦耳定律核算得到 。 为经历值，关于不同的铅酸蓄电池数值不同。一般取值为1.95V。

蓄电池在放电时，