动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型[1]

ISSN 1000 20054CN 1122223 N 清华大学学报 自然科学版 J T singhuaU niv Sci 教育部优秀青年教师资助计划项目作者简介 蔡程辉 19782 , 男 汉 , 湖南 , 硕士研究生 。E 2m ail caich 00m ails. tsinghua. edu. cn通讯联系人 都东 , 教授 , E2m ail dudong tsinghua. edu. cn摘 要 现今充电器大多数工作于高频开关模式 , 因此需要新的电池模型来解释蓄电池在该模式下的充电过程中出现的新特点 。 为研究蓄电池高频下的瞬态特性及其对充电器工作状况的影响 , 建立了一个动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型 。 不同于现有蓄电池模型多偏重于描述电池的容性特性 , 该模型串联加入了一个电感 L 来描述高频状况下蓄电池的感性特性 。 依据该模型 , 对蓄电池充电过程进行了仿真 。结果验证了该模型的正确性 。 基于该模型的系统仿真表明了蓄电池高频瞬态特性对高频开关型充电器输出特性的影响 ,也可为其优化设计提供准确的依据 。关键词 电池模型 ; 感性特性 ; 充电器 ; 充电中图分类号 T P 242. 3; O 621. 261 文献标识码 A文章编号 1000 20054 2003 0220204 204H igh frequency tran sient m odel oftraction battery dur ing charg ingCA I Chenghui , DU D ong , GE J ing tia n,ZHANG Hua , PENG Hua lia ngD epartmen t of M echan ical Eng ineer ing ,Tsinghua Un iversity , Be ij ing 100084, Chi naAbstract Since mo st battery chargers are now sw itched at h ighfrequencies, new battery models are needed to account fo r thedifferent battery characteristics during high frequency charging .T h is paper presents a high frequency transient model fo r a tracti onbattery during charging to study the battery transient dynam ics ath igh frequencies and its impact on the wo rk ing state of the charger .A n inductance w as added to the model in series to describe theinductance characteristic at high frequencies, w h ich differs frommo st current battery models w hich emphasize describing thecapacitance characteristic of the battery . The model w as verified bycomparing sim ulati ons w ith labo rato ry m easurements. T he systemsim ulati ons describe the im pact on the output characteristics of theh igh frequency sw itching mode charger and p rovide a reliable m ethodfo r design op tim ization.Key words battery model; inductance characteristic; charger;charging近年来 , 动力型蓄电池在移动机电设备如电动车 [ 1 ]、无缆机器人等方面获得了越来越广泛的应用 。 充电控制技术及系统 , 与蓄电池的应用和发展有着密切的关系 [2 ]。新型充电器为实现系统轻小型化 、 充电过程可控化采用了高频逆变技术 , 也使得蓄电池在充电过程中出现一些新特性 。 例如 , 在低频时电池呈容性特性 , 而在高频时呈感性特性 。 因此 , 了解蓄电池在充电器逆变器工作于高频开关状况时的充电特性 , 建立科学的蓄电池模型 , 对优化充电系统设计 、 控制充电过程和研究充电效率有着重大意义 。电池模型的研究已有多年 。 已有的理想电池等效模型 [ 3, 4 ] 和 Theven in 模型 [ 4, 5] 简单地假设模型中各参量均为常数 , 但实际上所有的参数与电池状态有关 。 Gigli oi 等人提出了四阶动态蓄电池模型 [ 6 ]。该模型考虑因素较为周全 , 基本反映了当前蓄电池模型的研究水平 [ 3 ]。但在实际应用中仍有不足 1 由于电池模型阶数较高 , 计算比较困难 ; 2 模型的建立需要确定相当多的经验参数 , 给应用带来较大麻烦 [ 4]。从 Theven in 模型和四阶动态模型可以看出在充放电电流为具有低频纹波的直流时电池呈容性特性 。 但在对电池进行阻抗分析时 , 发现高频状况下蓄电池呈感性 [ 7, 8]。本文依据充电器逆变器工作于高频开关状态时蓄电池的实验特性 , 提出一个电池模型来描述高频状况下蓄电池的瞬态特性 。 同时 , 基于所提出的模型 , 讨论了充电器的优化设计 。1 动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型电池特性不仅包括直流非线性行为 , 也包括交流瞬态特性 [ 9]。 通过电池端电压和电池电流的交流纹波的纹波系数和电压电流的相位关系可以观察和研究电池的瞬态特性 。实验发现 , 利用具有高频 25 kH z 纹波的充电电流对一种阀控式密闭动力型铅酸蓄电池组 48V ,65 A h 进行充电时 , 电池组的端电压在相位上超前于充电电流 , 电池组呈感性 。 本文在实验的基础上 ,为描述这种瞬态特性建立了动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型 , 以应用于充电过程仿真 、 充电系统功率变换回路的瞬态分析和优化设计 。该模型的电路网络如图 1 所示 , 由表征蓄电池内阻的电阻 R i、 表征蓄电池极化效应的过电压电阻R p 及并联的过电压电容 Cp、电压源 Eo、电感 L 及并联的寄生电阻 R L 组成 。 电感 L 描述蓄电池在高频状况下表现出来的感性特性 , 而且不会干扰电池在低中频下的直流非线性行为 。 寄生电阻 RL 的作用是在充电终止瞬间给电感 L 放电 , 避免产生瞬间高电压 。由于充电过程中 RL 并不消耗能量 , 故而加入反向阻断二极管 D 使得充电过程中 R L 支路上的电流近似为 0。电压源 Eo 为蓄电池组标称电压 。 U t为蓄电池组端电压 。图 1 动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型蓄电池的高频瞬态模型中的参量 R i, R p, C p 均与电池荷电状态 state of charge, Q soc、充电电流 、电池电压 、 电池温度和充放电历史等因素有关 , 简化起见 , 本文中忽略温度和历史等因素 。 模型中各关键变量由下述公式确定 。Q soc ∫t0idΗ C a, 1式中 i 是充电电流 , C a 是在一定充电率下可充入的电池容量 。E o Q soc E soc1 - E soc0 E soc0, 2式中 E soc0, E soc1分别是 Q soc 0 和 Q soc 100 时电池的开路电压 , 可由实验得到 。定义电池充电电阻R ch R i R p, 3式中 R ch U - E o I , U 是电池端电压直流输出值 , 可由电压表测得 , I 是充电电流直流输出值 , 可由电流表测得 。 通常 R i 比 R p 小 , 可假定为常用值0. 12 8 即每单体电池为 5m 8 。虽然 C p 可以通过充电电压和充电电流的纹波系数及它们之间的相位差来确定 , 但是 Cp 实际中对充电电流和充电电压的相位影响很小 , 可以假定为常用的经验值 1 Λ F。L B A Ξ , 4式中 Ξ 2Π f , f 是充电器逆变器开关频率 ; B 是电池端电压交流纹波 ; A 是充电电流交流纹波 。由于充电过程中 R L 和 D 支路上的电流为 0,可视为断路 。 仿真中对该支路不加考虑 。所建立的蓄电池高频瞬态模型既避免了四阶动态蓄电池模型产生的复杂计算 、 又能够描述在各种工作状况下的电池特性 。2 充电系统简介本文所设计的充电系统包括阀控式密闭铅酸蓄电池组和高频开关型充电器 。 依据电池端电压和充电电流的反馈信息和充电算法 , 充电器控制单元给定充电电流 。 因此 , 蓄电池和充电器的工作状态是相互影响的 。 图 2 所示为充电器单端正激式功率转换主电路 。 虽然单端正激式逆变器比较简单 , 但因其功能可靠 , 容易实现和控制 , 故在研究电池特性的充电实验电路中仍然采用 。图 2 充电系统单端正激式功率转换电路原理图设计要求蓄电池浮充时电压纹波系数不大于1. 5 , 最小输出电流为 1. 5A , 且不断流 。 功率变换回路输出单元的主要参数滤波电感 L 0 和电容 C 0的精确求解较为复杂 。 传统的方法是根据设计要求采用经验公式进行估算 。 采用估算方法得到 L 0≥0. 653mH , 实际中 L 0 取 0. 685mH ; C 0 ≥ 5. 8 Λ F,实际取 C 0 8 Λ F。估算过程略去 。需要指出的是 , 传统的经验估算公式是在负载为纯电阻的情况下得到的 , 在本文并不适用 。 故上述估算难以保证系统设计的可靠和优化 。 本文试图通过系统建模和仿真的方法来准确地确定滤波电感L 0 和电容 C 0 的优化设计值 。502蔡程辉 , 等 动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型3 充电过程仿真结果以 48V 65A h 阀控式密闭铅酸蓄电池组为具体研究对象 , 采用平均值约为 10A 的电流充电 , 运用电路仿真软件 PSPICE 对充电过程进行仿真 。 本文在仿真分析中将蓄电池组视为一个整体 , 且并不考察各单体电池间的不均衡性 。图 2 中 IGBT 开关频率 f 为 25 kH z, 最大开通时间 ton 16 Λ s, 最大脉宽占空比 D 16Λ s 40 Λ s40 。本文以 Q soc约为 50 时为例 , 给出实验和仿真对比结果 。 在 Q soc 47. 68 时 , 根据公式 2,3 , 4 和经验值 , 此时模型参数为 R i 0. 12 8 ,R p 0. 406 6 8 , Cp 1 Λ F, E o 49. 09V , L 0. 01mH。蓄电池的充电电压与电流的实验曲线如图 3 所示 。仿真曲线如图 4 所示 , 此时有关数据见表 1, 表中 Υ 为电压与电流相位差 。图 3 Q soc 47. 68 时蓄电池充电电流 、 电压实验曲线表 1 某一瞬间蓄电池充电电压电流实验与仿真数据I A U V I A A U A V Υ 实验 10. 36 53. 30 1. 60 2. 40 79. 70仿真 10. 12 54. 40 1. 52 2. 58 81. 00误差 - 2. 32 2. 07 - 5. 00 7. 50 1. 63图 4 Q soc 47. 68 时蓄电池充电电流 、 电压仿真曲线以上结果表明仿真与实验测量吻合 , 验证了模型的正确性 。4 电池高频瞬态模型在充电系统设计中的应用本节在考虑与不考虑电池的高频感性两种情况下 , 对充电过程进行仿真对比研究 , 并基于所提出的电池模型进行逆变器工作于高频开关状况的新型充电器的优化设计 。表 2 为滤波电感 L 0 和电容 C 0 取不同值时 , 利用图 1 的高频瞬态模型 L 0. 01 mH 得到的电池端电压和充电电流的仿真结果 。 表 3 为不考虑电池的高频感性 , 即模型中使 L 0mH , 其余参量不变时 , 滤波电感 L 0 和电容 C 0 取不同值时 , 得到的电池端电压和充电电流的仿真结果 。 电压或电流的平均值为最大值和最小值的平均 , 其增量为最大值和最小值的差值 。表 2 的仿真结果可以验证 , 上述设计中 L 0 取0. 685m H , C 0 取 8 Λ F 并不适合 , 因为电压纹波为4. 68 , 大于设计要求的 1. 5 , 而且电流纹波达到 15. 02。若欲进一步降低电池端电压和充电电流的纹波系数 , 优化充电系统设计 , 可组合不同 L 0和 C 0 值进行仿真 , 根据仿真结果 , 考虑经济因素和充电器的体积选取合适的参数 。602 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2003, 43 2表 2 考虑电池高频效应 L 0. 01m H 不同 L 0 和 C 0 取值下电池端电压和充电电流的仿真结果L 0 mH C 0 Λ F I m ax A I m in A U m ax V U m in V 100 I I 平均 100 U U 平均2 8 10. 526 10. 008 55. 698 54. 82 5. 05 1. 590. 685 8 10. 877 9. 357 56. 384 53. 807 15. 02 4. 680. 1 8 14. 530 3. 483 63. 169 44. 477 122. 66 34. 730. 685 18 10. 403 9. 901 55. 585 54. 735 4. 94 1. 540. 685 8 10. 877 9. 357 56. 384 53. 807 15. 02 4. 680. 685 4 12. 304 8. 022 59. 041 51. 968 42. 13 12. 74表 3 不考虑电池高频效应 L 0m H 不同 L 0 和 C0 取值下电池端电压和充电电流的仿真结果L 0 mH C 0 Λ F I m ax A I m in A U m ax V U m in V 100 I I 平均 100 U U 平均2 8 10. 510 10. 005 55. 462 55. 105 4. 92 0. 650. 685 8 10. 818 9. 348 55. 680 54. 640 14. 58 1. 890. 1 8 13. 844 3. 705 57. 821 50. 653 115. 55 13. 220. 685 18 10. 527 9. 671 55. 471 54. 868 8. 85 1. 090. 685 8 10. 818 9. 348 55. 680 54. 640 14. 58 1. 890. 685 4 11. 046 9. 136 55. 840 54. 497 18. 93 2. 43通过表 2 和表 3 的比较可以看出 , 考虑与不考虑蓄电池高频感性两种情况下 , 充电器输出的仿真结果差异较大 。 只有当考虑了电池高频感性 , 充分了解了电池特性 , 仿真结果才能作为工作于高频开关状况下新型充电器的设计的准确依据 。5 结 论所建立的动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型 , 较好地反映了充电器逆变器工作于高频开关状况下时蓄电池的瞬态特性 , 仿真结果和实测波形相符 , 验证了该模型的正确性 。 高频瞬态模型电路结构简单 , 参量少 , 阶数低 , 实际应用中大大减少占用的计算时间 , 简化确定参数带来的难度 , 便于充电过程仿真研究 。考虑与不考虑蓄电池高频感性两种情况下 , 充电器输出的仿真结果差异较大 。 这表明电池高频感性对充电器的工作状况有较大影响 。 在通过仿真方法来实现的充电器的优化设计中 , 所建立的电池模型考虑高频感性是有必要的 。 基于所提出的电池模型的仿真研究可为工作于高频开关状况下新型充电系统的优化设计提供依据 。参考文献 References [ 1 ] 刘广林 . 电动车电池的现状和未来 [J ]. 蓄电池 , 2000, 1 3 5.L IU Guanglin . The status quo and future of EV batteries[J ]. B attery , 2000, 1 3 5. in Ch inese[ 2 ] 刘晔 , 王兆安 , 苏彦民 , 等 . 充电电源的应用及发展 [J ]. 电工技术杂志 , 1999, 2 29 33.L IU Ye, W AN G Zhaoan, SU Yanm in, et al. A pp licati onsand trends of charging pow er source [J ]. E lectrotechn ica l J ,1999, 2 29 33. in Chinese [ 3 ] 齐国光 , 钱骏 , 丁冬花 . 轮式机器人用动力型铅酸电池模型的研究 [J ]. 清华大学学报 , 1995, 35 5 38 43.Q I Guoguang, Q IAN Jun, D IN G Donghua . R esearch onlead2acid battery model fo r w heeled mobile robot [J ]. JT sing hua U n iv , 1995, 35 5 38 43. in Ch inese[ 4 ] Chan H L. A new battery model fo r use w ith battery energystorage system s and electric veh icles pow er system s [A ].2000 IEEE Pow er Eng SociW interM eeting. Conf Proc IEEEPart vo l. 1 [C ]. P iscataw ay, N J IEEE P ress, 2000. 470475.[ 5 ] K im Yoonho, H a Ho idoo. D esign of interface circuits w ithelectrical battery models [J ]. IE E E T rans on Ind ustria lE lectron ics, F EB , 1997, 44 1 81 86.[ 6 ] Gigli oli R , Cero lo P. Charge and discharge fourth o rderdynam ic of the lead battery [A ]. 10th Internati onal ElectricV eh icle Sympo sium [C ]. Hong Kong, 1990. 1 9.[ 7 ] M omm a T. T suchiya K. O saka T. Investigati on of L i2ionbattery w ith A C impedance spectro scopy [A ]. L ith iumBatteries . Proceedings of the Internati onal Sympo siumE lectrochem ical Society Proceedings, V o l. 99 25 [C ].Pennington, N J, 2000. 681 686.[ 8 ] T akano K, N ozaki K, N egishiA. et al. Inductive im pedanceof spiral wound cylinder type battery [J ]. D enshi G ij u tsuS og o K enky usho Iho B u lletin of the E lectrotechnica lL abora tory , 1995, 59 6 39 51.[ 9 ] M ichael C G. Battery electrochem ical nonlinear dynam icSP ICE model [A ]. P roc of the 1996 31st Intersociety EnergyConversi on Engineering Conference. IEEE. Part 1 of 4[C ]. P iscataway, N J IEEE Press, 1996. 292 297.702蔡程辉 , 等 动力型蓄电池充电过程高频瞬态模型