簡析等效電路分析的航空鋰電池工作特性研究論文

引言

航空應急用的蓄電池具有高能量密度、高功率密度、小體積等要求，鈷體系鋰電池由於具有以上顯著優點成為其首選應急用能源。然而在應用過程中，鋰電池存在過充或過放後將會產生不可恢復的破壞性影響、不正常工作狀態下將會導致自燃等安全問題。波音787飛機鋰電池燃燒、特斯拉汽車鋰電池自燃等事故給鋰電池推廣應用帶來極大阻礙。由於材料和工藝所無法避免的差異性問題，構建合理模型對電池內部進行模擬，以及對其工作狀態、特性和性能作有效評價是非常有必要的。

通過建立有效理論模型來分析電池的性能和工作狀態是現在世界公認的研究熱點，如DaowdMohamed等人對不同模型進行對比分析研究，AttidekouPierrotS.等人對等效電路模型展開分析。針對所構建模型的具體應用，肖蕙蕙等人對其模型應用於電動汽車適用性展開分析，楊陽等人把等效電路模型結合SOC估計應用於電動汽車供能狀況研究。在考慮温度、老化、循環壽命等因素對電池性能影響的基礎上，研究者展開相關深入研究工作並取得一定成效，如鋰電池快速充電應用探索等。

1理論分析

1.1鋰電池工作原理

在鋰電池充電過程中，鋰離子在外部電勢差驅動下從正極經過電解液和聚合物電解質膜(隔膜)轉移至負極。在鋰電池放電過程中，鋰電池兩電極之間經過負載構成迴路，在兩極之間電壓差的驅動下，電子由負極向正極移動;鋰電池內部，鋰離子從負極經過電解液和隔膜轉移至正極。

1.2等效電路模型分析

在模型構建過程中，把鋰電池有效等效為恆壓源、電阻和電容所構成的電路，構建鋰電池等效電路模型。在構建過程中，改進Thevenin模型，忽略電池的自放電過程，並加上一個與理想電壓源串聯的電容。這個電容用於表徵負載電流的變化對時間的累積效應所導致的開路電壓變化的影響。通過這種方式，可以反映SOC和開路電壓的'變化，彌補了Thevenin電路的不足。

1.3模型構建方法研究

等效電路中的元件參數可以通過HPPC試驗在不同温度下測出不同SOC值對應的參數值，通過這些狀態方程和SOC計算方程，可以在MATLAB中建立模型進行仿真，進而得到電池端電壓隨時間的輸出曲線。輸入為負載電流、電池的SOC初值、電池容量和温度，輸出為電池的端電壓。

針對鋰電池的PNGV等效電路模型在MATLAB中建立模型，主要包含三部分：(1)針對給定負載電流，採用SOC計算方程建立SOC實時計算模塊;(2)利用建模對象在不同温度下辨識出的PNGV模型參數來建立PNGV等效電路參數模塊;(3)建立PNGV等效電路子模塊。將這3個模塊組合起來即可構成鋰電池PNGV等效電路的總模型。

2實驗與分析

2.1不同温度實驗研究

以0.3C5A(C5表示用5小時將電池電量全部放完所能得到的容量，由於電池的放電容量與放電條件有很大關係，在討論容量時就必須同時説明放電條件，C5就是放電條件，該式表示充放電電流為0.3×額定容量值)的恆流工況來測試該模型。負載電流由信號發生器提供，持續時間設置為1000s(時間座標軸上t=200~1200)。仿真時間設置為2000s。在不同温度下分別得到輸出端電壓隨時間變化的曲線。

2.2實驗結果分析

通過上述不同温度調節下的實驗研究，可以找到不同條件下電壓特性變化過程的相同點和不同點並進行分析研究，以用於安全保護。

2.2.1相同點及分

析端電壓的輸出最初有一個突然下降的過程，下降幅度隨温度下降而提升。造成該現象的原因是：PNGV等效電路模型中，電池的等效內阻在流過負載電流時產生了壓降，該現象與實際電池特性相符。

在端電壓突然下降後，端電壓有一個緩慢下降的短時過程，之後端電壓與時間呈線性關係繼續下降。造成該現象的原因是：PNGV等效電路模型中，RC迴路用來等效電池的極化效應，該RC迴路在最初流過負載電流時的零狀態響應導致電池端電壓有一個緩慢短時下降的過程;在零狀態響應之後，輸出端電壓進入穩態，輸出端電壓則繼續呈線性下降。該現象與實際電池特性相符。

在放電結束後端電壓也有一個突然上升的過程，幅值隨温度下降而提升，之後端電壓有一個緩慢上升的過程，然後恢復至當前SOC值所對應的開路電壓值。造成該現象的原因：端電壓突然上升是因為等效內阻產生的壓降在負載電流消失後隨即消失;端電壓之後的緩慢上升過程是由RC迴路的零輸入響應造成的，在沒有負載時，電池的PNGV等效電路呈開路狀態，輸出端電壓值與當前SOC值所對應的開路電壓值相等，該現象和實際電池特性相符。

2.2.2不同點及分析

低温度時的輸出端電壓值的下降程度要比高温度時的輸出端電壓值下降的程度大。

低温度時輸出端電壓的最大差值比高温度時輸出端電壓的最大差值更大，即隨温度降低而提升。

在放掉相同的SOC值後，低温度時的開路電壓差值比高温度時的開路電壓差值更大。

造成該現象的原因是：電池在低温度時的極化效應強度要大於高温度時的極化效應強度，因此在低温度時PNGV等效電路對應的RC迴路的等效參數值要比高温度時的值大，所以低温度時RC迴路的零狀態和零輸入響應對電池端電壓值的影響要比高温度時大。而在電池靜置的狀態下開路電壓差異則是由於電池在不同温度下的化學特性的不同所導致。

通過這兩個波形可以看出，低温度時電池的端電壓值下降要比高温度時迅速，即高温度時的電池端電壓輸出特性要比低温度時穩定。航空用鋰電池在高温度時的端電壓輸出特性在要優於其低温度時的端電壓輸出特性。

3結語

本文提出了一種航空鋰電池工作特性分析方法。該方法通過等效電路的有效模擬，實現對其反應過程的特性表徵。基於此方法研究及其模型構建，航空鋰電池在不同條件下的工作特性得到分析研究，得到了不同温度條件下鋰電池的工作狀態和輸出特性。該方法的提出對鋰電池工作過程分析和航空鋰電的應用安全保障起到重要作用，為鋰電工作機理分析提供參考價值。