基于rin模型的某80ah鎳氫電池單體充放電特性分析

基于rin模型的某80ah鎳氫電池單體充放電特性分析

聯(lián)合混合動(dòng)力將車輛狀態(tài)與原動(dòng)機(jī)（燃料或電池）狀態(tài)分離，這在城市公交環(huán)境中是非常有價(jià)值的。燃料電池混合動(dòng)力以其零排放、低噪聲成為近期國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。燃料電池和鎳氫電池是燃料電池混合動(dòng)力中的兩個(gè)動(dòng)力源。鎳氫電池在混合動(dòng)力系統(tǒng)中提供動(dòng)態(tài)峰值功率,吸收制動(dòng)回收能量,對(duì)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和延長(zhǎng)燃料電池使用壽命具有重要意義。為確保燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,并使燃料電池輸出功率變化平緩以減緩其性能衰退,需要確定鎳氫電池的最佳工作范圍。本文結(jié)合Rint模型對(duì)80Ah鎳氫動(dòng)力電池進(jìn)行特性分析以確定此范圍,并通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)加以確認(rèn)。180ah銅氫電池的特性1.1蓄電池充放電特性測(cè)試蓄電池Rint模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)—(3)所示。各參數(shù)受蓄電池SOC(stateofcharge)、充放電電流和蓄電池溫度影響。U=Ut-RΙ；(1){R1=f1(SΟC,Ι,θ),Ι≥0；R2=f2(SΟC,Ι,θ),Ι<0；(2)Ut=f3(SΟC).(3)U=Ut?RI；(1){R1=f1(SOC,I,θ),R2=f2(SOC,I,θ),I≥0；I<0；(2)Ut=f3(SOC).(3)式中:U為蓄電池工作電壓,Ut為蓄電池開(kāi)路電壓,I為蓄電池工作電流,R1為蓄電池放電內(nèi)阻,R2為蓄電池充電內(nèi)阻,SOC為蓄電池充電狀態(tài),θ為蓄電池溫度。SOC的計(jì)算可參考文,此處僅考慮安時(shí)計(jì)量法,如式(4)和(5)所示。SΟC=SΟC0-∫t0ηΙ/Qdt；(4)η={η1,Ι≥0；η2,Ι<0.(5)SOC=SOC0?∫t0ηI/Qdt；(4)η={η1,η2,I≥0；I<0.(5)式中:SOC0為初始時(shí)刻SOC值,η1為蓄電池放電效率,η2為蓄電池充電效率,Q為蓄電池容量。以下研究對(duì)象為由10個(gè)鎳氫電池單片串聯(lián)組成的某80Ah鎳氫電池單體。通過(guò)在不同蓄電池溫度(-20℃,20℃,50℃)、不同充放電電流(27A,80A,160A,240A)下的蓄電池充放電實(shí)驗(yàn),可以測(cè)得一系列充放電曲線,進(jìn)而計(jì)算各個(gè)參數(shù)。在混合動(dòng)力運(yùn)行工況中蓄電池溫度一般保持在常溫附近,以下分析環(huán)境溫度取20℃。1.2蓄電池放電效率圖1顯示,單體開(kāi)路電壓隨蓄電池SOC單調(diào)升高,并隨溫度單調(diào)降低。在SOC=40%～80%的范圍,溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響并不大。當(dāng)SOC<40%或SOC>80%時(shí),開(kāi)路電壓隨溫度平均變化率為-8.9mV/K。所研究的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)鎳氫動(dòng)力電池單元選用32節(jié)單體。實(shí)際混合動(dòng)力系統(tǒng)中,為保障安全,會(huì)采取措施盡量減小蓄電池的溫升,一般而言蓄電池實(shí)際溫升將被控制在20℃以內(nèi),因此,總線電壓受蓄電池溫度變化而波動(dòng)的幅度將小于5.7V。在此幅度內(nèi),總線電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率的影響都可以忽略不計(jì)。圖2為10單體電池組常溫下的放電內(nèi)阻。常溫下放電內(nèi)阻受放電電流的影響較大。放電內(nèi)阻隨放電電流單調(diào)遞減,當(dāng)電流超過(guò)80A時(shí)趨于穩(wěn)定。常溫下放電內(nèi)阻的范圍是5～20mΩ。圖3為常溫下單體充電內(nèi)阻。充電內(nèi)阻受蓄電池SOC的影響較大。隨蓄電池SOC增大,充電內(nèi)阻先減后增,在SOC=40%～60%時(shí)取得極小值。充電內(nèi)阻隨電流增加稍有減小。常溫下充電電阻的范圍是4～12mΩ。蓄電池充電效率如圖4所示,隨SOC升高而降低,且隨充電電流升高降低。在SOC=10%～60%的范圍,充電效率受充電電流和SOC的影響較小,基本處于97%～99%的范圍。對(duì)于80～160A之間的充電電流,SOC=80%～90%時(shí),充電效率仍然保持在90%以上。而對(duì)于240A的充電電流,當(dāng)SOC大于60%時(shí),充電效率急劇降低。因此,充電時(shí)SOC應(yīng)保持在60%以下,在此范圍內(nèi)可以達(dá)到高于97%的充電效率,并且盡可能以小于160A的電流充電,以保證當(dāng)蓄電池SOC超過(guò)60%時(shí)仍然能夠有較高的充電效率。此外,蓄電池大電流充放電會(huì)加快其溫度升高。為確保系統(tǒng)安全,蓄電池放電電流應(yīng)限制在240A以內(nèi)。綜上所述,為確保較高的蓄電池充電效率以及較小的充放電內(nèi)阻,SOC應(yīng)保持在40%～60%,充放電電流應(yīng)處于-160～240A。在混合動(dòng)力系統(tǒng)中,蓄電池應(yīng)盡量工作在常溫狀態(tài),并能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中提供動(dòng)態(tài)功率,以減緩燃料電池的輸出功率波動(dòng)。2動(dòng)態(tài)濾波模塊測(cè)試燃料電池混合動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示,由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、DCDC、蓄電池、三相異步感應(yīng)電機(jī)、DCAC逆變器、動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī)和數(shù)采監(jiān)控系統(tǒng)組成。各部件參數(shù)如表1所示。電機(jī)所需功率由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和鎳氫電池提供。能量管理算法決定驅(qū)動(dòng)功率在兩者之間的分配,由穩(wěn)態(tài)分配模塊和動(dòng)態(tài)濾波模塊組成,最終給出DCDC目標(biāo)電流,以控制燃料電池輸出功率。穩(wěn)態(tài)分配模塊決定穩(wěn)態(tài)電機(jī)需求時(shí)的功率分配;動(dòng)態(tài)濾波模塊則限制燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的動(dòng)態(tài)變化率。根據(jù)上述分析的蓄電池特性,在圖6(Ibat為蓄電池穩(wěn)態(tài)目標(biāo)電流)所示的穩(wěn)態(tài)分配模塊中,蓄電池SOC平衡點(diǎn)設(shè)定為60%。根據(jù)文中的分析,當(dāng)系統(tǒng)不帶制動(dòng)能量回饋功能時(shí),蓄電池SOC將在低于60%的范圍內(nèi)浮動(dòng)。動(dòng)態(tài)濾波常數(shù)為5s,為一階延遲環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7—9所示。圖7所示為根據(jù)實(shí)際車輛傳動(dòng)比折算的車速,符合中國(guó)城市公交典型工況。圖8所示為實(shí)驗(yàn)中蓄電池SOC和充放電電流的變化情況。由于蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)定的SOC的分辨率為1%,圖中SOC波動(dòng)并不明顯,介于57%～58%之間;充放電電流大部分介于-100～200A之間,滿足上述-160～240A的要求。由于充放電電流基本平衡,蓄電池的溫度也較穩(wěn)定,介于22～24℃。圖9所示為該實(shí)驗(yàn)快速加載階段中,燃料電池和鎳氫電池間的實(shí)際功率分配。在動(dòng)態(tài)濾波模塊保護(hù)下,燃料電池輸出功率以4.36kW/s的速率緩慢增加,蓄電池提供開(kāi)始加速階段的突增功率,起到保護(hù)燃料電池的作用。氫氣流量計(jì)數(shù)據(jù)顯示,該混合動(dòng)力臺(tái)架測(cè)試中,經(jīng)濟(jì)性達(dá)5.618kg/100km,好于目前所開(kāi)發(fā)的實(shí)際車輛的經(jīng)濟(jì)性水平。3基于穩(wěn)態(tài)分配+動(dòng)態(tài)濾波的一種作為1)根據(jù)所研究的鎳氫電池的特點(diǎn),在燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中,鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%～60%之間,充放電電流應(yīng)處于-160～240A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。2)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)顯示,通過(guò)穩(wěn)態(tài)分配+動(dòng)態(tài)濾波的算法模式和恰當(dāng)?shù)膮?shù)匹配,整車控制器可以使鎳氫電池工作在目標(biāo)區(qū)域,使混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足城市公交