CN103077291A - 可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统仿真研究领域的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法。其技术方案是，根据典型的电池放电曲线，按照所提出的方法分离出电池模型的参数，然后建立电池模型，分别采用恒流放电和恒流转恒压充电的方式进行仿真验证，并按照不同的充放电倍率及不同的电池初始荷电状态SOC进行仿真验证，将仿真验证曲线与实际的电池充放电曲线进行对比，证明其正确性及灵活性。本发明提出的储能电池模型参数提取简单，易于实现，物理概念明确，而且可以根据研究内容的实际需要自由设置电池初始荷电状态SOC，应用灵活方便，有效解决了微电网研究中储能模型难以建立及灵活性不足的问题。

Description

可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真研究领域，尤其涉及一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法。

背景技术

近年来新能源发电、微电网及电动汽车发展迅速，国内外学者对以上领域进行了大量研究工作。新能源发电可以减小对化石燃料的依赖，减小环境污染，受到广泛关注，但是由于分布式电源（如风电和光伏发电）的不可控性。使得分布式电源接入会对电网带来诸多不利影响。对为解决分布式电源对电力系统的不利影响，微电网的概念应运而生，微电网有联网和孤岛两种运行方式。由于风能、太阳能的波动和负荷的扰动，特别是在孤岛运行且分布式电源（DG）渗透率较高(或风机停机)时，微电网需要大型储能系统来保证系统电压和频率的稳定性。在各种储能技术中，储能电池由于其动态性能优异，能量密度高具有广阔的前景。建立适当的电池储能模型对微电网的研究有重要意义。另外，电动汽车的普及也可以减缓能源问题和环境污染，备受关注，目前电动汽车研究的技术瓶颈就在于动力电池的研究，在电动汽车的研究中建立正确的动力电池模型十分重要。

所建立的电池模型要能正确反映电池的充放电特性，并且尽量做到参数分离容易，应用灵活。目前国内外学者提出了多种电池模型，但是有的电池模型过于简单，不能正确反映电池的动态特性，有的电池模型阶次较高，参数分离困难，不易实现，而且所提出的电池模型都无法自由设置电池的初始荷电状态SOC，应用不够灵活，这些都给微电网的研究工作带来不便。

发明内容

针对背景技术中提到的目前电力系统储能建模中电池模型难以建立及灵活性不足的问题，本发明提出一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法。

一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：确定实测的电池典型放电曲线；

步骤2：根据实测的电池典型放电曲线，分离提取电池模型的参数；

步骤3：根据步骤2中提取的电池参数，建立电池模型；

步骤4：对建立的电池模型进行仿真验证，具体包括：

1)恒流放电曲线验证；

2)恒流转恒压充电曲线；

3)对参数D进行验证，其中，D表示在仿真开始时电池已经放出的电量数值。

所述电池模型的参数包括控制部分模型参数和内阻参数。

所述分离提取控制部分模型参数的公式为：

A=E_full-E_exp

$B=\frac{3}{Q_{\exp }}$

$K=\frac{(E_{\mathrm{full}}-E_{\mathrm{nom}}+A(\exp (-B*Q_{\mathrm{nom}})-1))*(Q-Q_{\mathrm{nom}})}{Q_{\mathrm{nom}}}$

E₀＝E_full+K+Ri-A

其中，A为电池典型放电曲线指数区电压幅值；E_full为电池满电电压；E_exp为电池典型放电曲线指数区截止点的电压；B为电池典型放电曲线指数区时间常数的倒数；Q_exp为电池典型放电曲线指数区放出的电量；K为电池极化电压；E_nom为电池额定电压；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；Q为电池额定容量；E₀为电池恒定电压；R为电池内阻；i为电池电流。

所述分离提取内阻参数的公式为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{I_{\mathrm{nom}}*R*I_{\mathrm{nom}}}{E_{\mathrm{nom}}*I_{\mathrm{nom}}}$

I_nom=0.2*Q_nom/1h

$\mathrm{\η}=1-\frac{0.2*R*Q_{\mathrm{nom}}}{E_{\mathrm{nom}}}$

$R=E_{\mathrm{nom}}*\frac{1-\mathrm{\η}}{0.2*Q_{\mathrm{nom}}}$

其中，η为电池的运行效率；I_nom为电池以恒流方式放电的典型放电过程中的恒定电流值；R为电池内阻；E_nom为电池额定电压；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；h表示小时。

所述电池模型为：

$\left\{\begin{array}{c}E=E_0-K\frac{Q}{Q-(D+{\∫}_0^t\mathrm{idt})}+A\×\exp (-B\×(D+{\∫}_0^t\mathrm{idt}))\\ R=E_{\mathrm{nom}}*\frac{1-\mathrm{\η}}{0.2*Q_{\mathrm{nom}}}\end{array}\right.$

其中，E为电池空载电压；E₀为电池恒定电压；K为电池极化电压；Q为电池额定容量；D表示在仿真开始时电池已经放出的电量数值；

电池放电电量，充电时为负值；A为电池典型放电曲线指数区电压幅值；B为电池典型放电曲线指数区时间常数的倒数；R为电池内阻；E_nom为电池额定电压；η为电池的运行效率；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；i为电池电流。

所述恒流转恒压充电曲线包括电压曲线、电流曲线和功率曲线。

本发明的有益效果是，所提出的非线性电池模型，可以正确反映电池的充放电特性，参数物理意义明确，结构简单，易于实现，而且引入参数D，通过设置参数D的值可以自由设置电池模型的初始荷电状态SOC，应用灵活方便。

附图说明

图1是本发明提出的非线性电池模型；

图2是本发明提供的电池的典型放电曲线；

图3是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为100%的恒流放电的电压曲线；

图4是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为80%的恒流放电的电压曲线；

图5是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为10%的恒流转恒压充电的电压曲线；

图6是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为0的恒流转恒压充电的电压曲线；

图7是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为0的恒流转恒压充电的电流曲线；

图8是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为0的恒流转恒压充电的功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提出的非线性电池模型。图1中，所示模型由一个受控电压源和一个定值内阻组成，其中各参数的物理意义及分离提取的方法已经在发明内容中做了详细介绍。本模型中，电池的电动势仅与电池的荷电状态SOC有关，而且一一对应，从而可以反映出电池在整个充放电过程中的电压特性而且有效避免了模型的代数循环问题。此外，本模型结构简单，实现容易，而且可以根据研究内容的实际需要自由设置参数D，从而自由设置电池的初始荷电状态SOC，应用灵活方便。

图2是本发明提供的电池的典型放电曲线。图2中，通过在发明内容中提及的电池模型参数分离方法，可以方便的提取出电池模型的各项参数。以下仅以此典型放电曲线为例进行说明：电池的典型放电曲线以单体额定电压3.2V，最高电压3.6V，容量为25Ah的磷酸铁锂电池1倍率恒流放电典型曲线为例：

A=E_full-E_exp=3.6-3.3=0.3(V)

$B=\frac{3}{Q_{\exp }}=\frac{3}{5A*1h}=0.6\left({\mathrm{Ah}}^{-1}\right)$

$K=\frac{(E_{\mathrm{full}}-E_{\mathrm{nom}}+A(\exp (-B*Q_{\mathrm{nom}})-1))*(Q-Q_{\mathrm{nom}})}{Q_{\mathrm{nom}}}=$

$\frac{(3.6-3.2+0.3(\exp (-0.6*20)-1))*(25-20)}{20}=0.025\left(V\right)$

E₀=E_full+K+Ri-A=3.6+0.025+0.004*5-0.3=3.345(V)

$R=V_{\mathrm{nom}}*\frac{1-\mathrm{\η}}{0.2*Q_{\mathrm{nom}}}=3.2*\frac{1-0.995}{0.2*20}=0.004\left(\mathrm{\Ω}\right)$

图3到图8是基于PSCAD/EMTDC仿真软件进行仿真验证得到的电池电压、电流及功率曲线。

图3和图4分别是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为100%和80%时的恒流放电曲线，通过图3和图4的放电曲线可以看出所提出模型的放电曲线与分离数据的典型放电曲线完全相同，可以正确反映电池在整个放电周期内的电压特性，而且也证明参数D的正确性，改变参数D的值便可以自由设置电池模型的初始荷电状态SOC，应用灵活方便。

图5和图6分别是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为10%和5%时的恒流转恒压充电的电压曲线，通过图5和图6的充电曲线可以看出所提出的非线性模型可以正确反映电池在整个充电过程中的电压特性，同时也再次证明参数D的正确性，此模型应用灵活方便。

图7和图8分别是本发明提供的电池初始荷电状态SOC为5%时采用恒流转恒压充电的电流及功率曲线，进一步证明所提出模型的正确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：确定实测的电池典型放电曲线；

步骤2：根据实测的电池典型放电曲线，分离提取电池模型的参数；

步骤3：根据步骤2中提取的电池参数，建立电池模型；

步骤4：对建立的电池模型进行仿真验证，具体包括：

1)恒流放电曲线验证；

2)恒流转恒压充电曲线验证；

3)对参数D进行验证；其中，D表示在仿真开始时电池已经放出的电量数值。

2.根据权利要求1所述的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，所述电池模型的参数包括控制部分模型参数和内阻参数。

3.根据权利要求2所述的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，所述分离提取控制部分模型参数的公式为：

A=E_full-E_exp

$B=\frac{3}{Q_{\exp }}$

$K=\frac{(E_{\mathrm{full}}-E_{\mathrm{nom}}+A(\exp (-B*Q_{\mathrm{nom}})-1))*(Q-Q_{\mathrm{nom}})}{Q_{\mathrm{nom}}}$

E₀＝E_full+K+Ri-A

其中，A为电池典型放电曲线指数区电压幅值；E_full为电池满电电压；E_exp为电池典型放电曲线指数区截止点的电压；B为电池典型放电曲线指数区时间常数的倒数；Q_exp为电池典型放电曲线指数区放出的电量；K为电池极化电压；E_nom为电池额定电压；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；Q为电池额定容量；E₀为电池恒定电压；R为电池内阻；i为电池电流。

4.根据权利要求2所述的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，所述分离提取内阻参数的公式为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{I_{\mathrm{nom}}*R*I_{\mathrm{nom}}}{E_{\mathrm{nom}}*I_{\mathrm{nom}}}$

I_nom=0.2*Q_nom/1h

$\mathrm{\η}=1-\frac{0.2*R*Q_{\mathrm{nom}}}{E_{\mathrm{nom}}}$

$R=E_{\mathrm{nom}}*\frac{1-\mathrm{\η}}{0.2*Q_{\mathrm{nom}}}$

其中，η为电池的运行效率；I_nom为电池以恒流方式放电的典型放电过程中的恒定电流值；R为电池内阻；E_nom为电池额定电压；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；h表示小时。

5.根据权利要求1所述的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，所述电池模型为：

$\left\{\begin{array}{c}E=E_0-K\frac{Q}{Q-(D+{\∫}_0^t\mathrm{idt})}+A\×\exp (-B\×(D+{\∫}_0^t\mathrm{idt}))\\ R=E_{\mathrm{nom}}*\frac{1-\mathrm{\η}}{0.2*Q_{\mathrm{nom}}}\end{array}\right.$

其中，E为电池空载电压；E₀为电池恒定电压；K为电池极化电压；Q为电池额定容量；D表示在仿真开始时电池已经放出的电量数值；

电池放电电量，充电时为负值；A为电池典型放电曲线指数区电压幅值；B为电池典型放电曲线指数区时间常数的倒数；R为电池内阻；E_nom为电池额定电压；η为电池的运行效率；Q_nom为电池从满电放电到额定电压时所释放出的电量；i为电池电流。

6.根据权利要求1所述的一种可设置初始荷电状态的电池充放电过程数字仿真方法，其特征在于，所述恒流转恒压充电曲线包括电压曲线、电流曲线和功率曲线。

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