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仿真法测评:磷酸铁锂&锰酸锂电池串并联

导读: 本文在锰酸锂电池和磷酸铁锂电池电学模型的基础上,提出基于等效电路微分方程的串并联仿真方法,通过试验验证串并联仿真精度,研究影响动力锂离子电池组电流不平衡度的各项因素,拟出有效的电池组性能预测及评价手段。

  锂离子电池凭其重量轻、体积小、寿命长、电压高和无污染等优势,逐步取代铅酸、镍氢、镍镉等电池,并且凭其充放电效率高的特点在电网储能应用中得到了重视。但是,受动力锂离子电池技术的限制,为满足电网储能应用的要求,需将电池串联到一定的电压等级,再将电池组并联,以达到较高容量。

  同时,通过研究大容量储能技术和储能拓扑结构,发现先串后并的电池拓扑结构有利于对储能系统各个单体电池进行检测和管理。以比亚迪深圳总部储能示范系统为例,系统由16个并联支路组成,每个支路由252个单体串联连接至800V直流母线,再接功率变换器系统(power conversionssystem,PCS)与电网连接,所构成的1MW(兆瓦)储能系统的性能与各单体的状态参数密切相关。

  显然,当电池性能存在不一致性,并将动力电池组串并联使用时,性能指标往往达不到单体电池原有水平,所以评价电池系统的性能并不能将单体电池性能进行简单叠加,而是需要对电池储能系统中串联支路的能量利用率以及并联支路的电流不平衡度进行准确评估,从而保证系统的效率和安全性。

  本文在锰酸锂电池和磷酸铁锂电池电学模型的基础上,提出基于等效电路微分方程的串并联仿真方法,通过试验验证串并联仿真精度,研究影响动力锂离子电池组电流不平衡度的各项因素,拟出有效的电池组性能预测及评价手段。

  电池模型与精度分析

  本文以电动汽车用90A·h锰酸锂LiMn2O4和60A·h磷酸铁锂LiFePO4能量型电池为测试对象,实验使用美国Arbin公司BTS2000及其数据采集系统进行电池测试。

  研究人员为分析动力锂离子电池的特性设计了大量等效电路模型,通常分析单体电池在不同倍率、不同温度和不同老化程度下的充放电特性。

  以电流作为输入量,并以电池电压作为输出量,通过等效元件的串并联来模拟电池的电学性能。如电池在充放电过程中表现出的欧姆内阻、电化学极化以及浓差极化等现象,均可以通过模型参数以较高的精度表示。

  由于电池极化电压的建立和静置过程消退均呈现指数函数增加或者衰减的特性,同时为便于电学仿真和计算,通常使用Rc阻容的模型对电池的极化电压进行建模。

仿真法测评:磷酸铁锂&锰酸锂电池串并联

  电池组串并联仿真中电池外电压Uo决定了并联的各个支路的电流大小,而Uocv可以通过OCV-SOC曲线实际测量得到,因此对极化电压的准确建模和仿真是研究电池串并联特性的关键。对锰酸锂电池充电状态(state of charge,SOC)为40%~50%的充电过程和50%测试点的静置过程分别进行模型状态参数的辨识,极化电压Up试验数据和拟合结果如图1(a)所示。

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