蓄电池仿真研究.docx

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蓄电池仿真研究

蓄电池仿真研究

一背景

铅酸蓄电池是电力系统中一种常用的器件，在以前的仿真中，我们是把它一个电压源替代，但是实

际上，电压源是无法准确描述蓄电池的各种工作特性的，尤其对于类似于UPS系统开发中，准确

描述蓄电池特性是很重要的，例如放电工作时的端电压变化趋势对于检测电路正常工作，充电时的注入电流变化过程决定充电器的负载特性，等等。

本文的主要目的是介绍运用仿真工具分析蓄电池特性，以及蓄电池仿真模型中各种参数的理解和设置方法。

二蓄电池的基本特性

铅酸蓄电池作为一个电化学设备，完整描述其性能是极其复杂的，描述其内部过程是化学领域的任务，我们这里关心的是它在电路中表现出来的外部性能，主要有以下一些。

2.1放电性能

当蓄电池给电路供电的时候，处于放电状态，它具有以下一些基本特性。

2.1.1容量限制

蓄电池是通过活物质反应产生电荷，当它放电时

，这些活物质被消耗，在消耗到一定度以前，蓄电池端电压会维持在某个电平附近（有轻微下降）当超过这个限度，电压会急剧下降。

一般我们用电池以某个恒定电流放电的电压-时间曲线来表示,

如图2-1。

通常，我们用一个电压和时间的曲线表示这种放电特性，电压急剧下降的转折点称为"拐点（kneepoint）”,表示这个时候活物质已经接近消耗殆尽，此时的对应电压称为放电终止电压，在应用中应该设置保护电路防止电池过放电，对应的时间则称为在该放电电流下的放电时间。

图2-1

2.1.2放电电流的影响

通常电池的容量用安时（A.h）来表示，字面含义可以理解为指放电时间和放电电流的乘积，但是实际上，电池的容量是会随着放电电流而变化的，而且，电池的端电压的也是随着放电电流大小而变化的。

不同放电电流时的端电压--时间关系可以用图2-2表示。

Graphs

EU2—2

从这个图中得出电池的放电时间和放电电流的关系如图2—3

ES3—3

仿真结果可以看出，电池的放电时间和放电电流并非一个线性关系，容量是随着放电电流的加大而

减小的。

2.1.3、恢复特性

通常，蓄电池放电时会有一个放电终止保护电压，电池端子电压低于这个值，就应该终止放电，蓄电池在放电终止以后，电压会自动回升到某个值，即所谓的“恢复”特性，恢复后的电压和放电程度有关，如图2—4,是通过设定不同放电终止电压，可以看到不同放电深度的恢复特性。

图中可以看出，放电深度越大，恢复电压越低。

團殳一4

2.1.4、温度依赖特性

2-5，由图中可

电池放电时的容量和端子电压不但和放电电流有关，而且和电池温度有关，如图以看出蓄电池容量与端子电压都是随着温度降低而减小的。

22保存特性

电池和一般电源不同，即使放置不用，也会由于自放电特性损失一部分容量，而容量损失速度与环境温度有关。

基本上，我们可以理解为内部一个很小但恒定的放电电流起作用。

如图2-6

图2—6

2.3充电特性

电池充电的特性很大程度上影响充电电路的工作状态，将是我们分析的重点之一，这里首先介绍充

电的一些基本特性

2.3.1放电过程对于充电过程的影响

即使在同样的充电电压条件下，电池的充电过程也受到放电历史的影响，主要是电量问题，而表现则为电压和容量上升过程的差异，如图2-7

Graph?

图2-7

2.3.2浮充电流

当电池完成充电过程以后，处于满充状态，仍然需要一定的注入电流。

以补偿内部自放电电流。

而

且这种自放电电流和开路保存时不同，是受到充电电压影响的。

详细分析在以后章节。

2.3.3气泡效应

当充电电压超过某个门限以后，电池内部会产生气泡效应，电路上面的表现就是满充以后的注入电流在浮充电流基础上进一步加大，这是电池处于过充电状态的标志，实际中此时应该采取保护措施，否则电池寿命会缩短。

气泡效应的详细分析也将在以后章节说明。

三电池仿真模型

saber中提供了蓄电池的仿真模型，该模型有一系列参数，但是由于蓄电池很复杂，确定这些参数需要通过一系列的仿真过程，才能建立一个逼近真实的模型。

仿真的基本原则，就是利用厂家提供的datasheet和仿真结果，设定和调整这些参数，使得蓄电池的上述各种特性和实际符合。

本章的主

要目的，就是介绍这些参数的含义以及它们对于蓄电池特性的影响。

3.1仿真电路

下图为一个标准的蓄电池测试电路，目的在于测试第二章中各种基本特性，并在此基础上调整电池

模型参数。

图中的放电开关开通，测试电压恒流放电各种特性，通过参数扫描方法，改变放电电流，温度，可以测试电池的容量变化特征。

而设定放电保护电压，则可以控制放电深度并测试恢复特性。

充电开关开通，可以通过改变充电电压测试电池的浮充电流和气泡效应。

充电开关和放电开关同时关断，可以测试电池的保存特性。

3.2模型参数

SABER提供的蓄电池的参数有很多个，大概可以分为以下几组，

3.2.1基本参数

tnom标称温度，因为蓄电池多数参数都是温度相关的，所以在定义的时候必须首先定义标称温度，

缺省为25度，后面的参数定义如果未加说明，均表示是在25度的值。

ah_nom电池额定容量，以安时表示，

Inmo放电电流。

Tend放电时间。

以上三个参数定义电池的额定容量，因为电池的额定容量是和放电电流相关的，一般用多少小时放

电率来表示，不同放电电流下，放电时间和放电电流的乘积并非一个常数。

但必须满足以下等式

ah_nom=inom*tend.

以某型号电池为例。

在ah_nom=10A时，tend=10hour.ah_nom=100A.hr

在ah_nom=30A时,tend=2.5hour.ah_nom=75A.hr.

通常蓄电池的额定容量时以时小时放电率或者二十小时放电率定义的，电流变化与容量变化也可以

在一般电池的手册上面查到。

N_cell电池单体的个数。

一般电池由多个电压在2.2V左右的单体串联组成，这个参数决定输出

电压范围。

3.2.2放电参数

以下这些参数是和放电特性有关的参数，下面将说明如何应用它们。

Sg_full满充状态的酸液比重。

由蓄电池的原理我们知道，当充电时，电解液浓度会加大，放电时，电解液浓度变小，这个参数表示的就是电池处于满充状态时，酸液比重大小。

这个参数决定电池的开路电压。

在仿真电路中，改变电池模型的这个参数，并通过参数扫描分析，可以得到不同比重时开路电压以及相互关系，如下图

J&.44626,112.011J.35

iWX曲B1HE利八址uil・1.33

9皿验氐12.7B7）'SflN[l=1.31

^.-44928,12.T31）JSffTuliri.S

J

?

Q.OCL050.1Q.15OJ0.250.30.350.40.45Q50.55CUB0.6507fl.755.S6S5OS

®3-2

把上图和dadasheet上面的参数对比，即可确定合理的比重。

Sg_disc完全放电后的酸液比重。

Fah_max最大安时比例。

在仿真中，我们接通放电开关，设定放电电流进行仿真，可以得到电池的放电曲线，和厂家数据进行比较，女口同第二章中描述的，我们主要关心三个数据，放电斜率，放电终止电压，放电终止时间（后面两个分别是拐点的对应坐标）而Sg_disc和Fah_max会影响这几个参数。

通过改变它们并分析在恒定电流（一般设定为10小时放电率）放电时的电压---时间变化情况，可以得到需要的值。

图3-3

仿真结果图3—3表明sg_disc对于放电过程的影响---加大sg_disc时的放电终止电压上升。

仿真结果图3—4表明fah_max对于放电过程的影响。

从图中可以看出，加大该参数基本不会影响放电终止电压，但是会减小放电斜率，使得放电终止时间变长，也就是加大了电池容量。

GraptiS

图3—4

3.2.3自放电参数

前面提到，电池存放过程中，也会有自放电现象，一般的厂家，都会提供自放电曲线，如图3—5。

Self-dischargeCharacteristics

t（s）

S3—5

由图中我们可以看出。

1：

自放电过程中，容量的下降和时间是一个线性关系。

2:

自放电速度和温度相关。

因此

蓄电池模型中也是提供了两个参数，来描述这两种特性。

Self_disc标称自放电率，即25度时候的放电速度，单位为％/day（每日损失容量百分比）例如从某电池自放电曲线中查到25度时候，60天容量下降10.5%,则该电池

Self_disc=10/60=0.175（%/day）

Dtemp_sd温度系数，这个值决定了不同温度下自放电速度的差异。

蓄电池一般如下公式：

dtemp_sd=（temp2-temp1）/ln（Self_disctemp〃Self_discemp2）

其中temp1,temp2分别代表不同温度，Self_disctemp1、Self_disctemp2代表对应温度时的自放电速度。

例如。

某电池5摄氏度时的Self_disc=0.033,30摄氏度时的Self_disc=0.216

则该电池的温度系数Dtemp_sd=（30-5）/ln（0.216/0.033）=13.3

3.2.4充电参数

最常用的充电方式为限流恒压充电，因为整个过程中电流和电压都在不断变化，也是这里分析的重

点，而恒流充电相对简单，这里忽略。

与充电过程相关的参数主要有以下四个

l_flt标称浮充电流（25度，满充时的浮充电流），单位是A/A.hr。

V_flt标称满充单体电压（定义标称浮充电流时电池中一个单体电压），单位是V/cell。

Vthrs_gas气泡效应门限电压（单体电压超过此门限将发生气泡效应），单位是V/cell。

Dv_gas与气泡效应相关的参数，确定气泡效应时电流与电池单体电压的关系。

单位为V/cell。

通常电池充电会经历一个电压逐步上升，电流逐步下降的过程，当电流减小到某个程度，进入满充状态，以后电压和电流都维持恒定，如图3-6

S3-6

由于电池的自放电效应，使得即使电压满充以后，还必须维持一定的注入电流，而满充以后的现象，

按照满充时单体电压的范围，会出现三种不同的过程，分析如下：

1:

当满充时电池单体电压V_cell<（2*V_flt-Vthrs_gas）时，浮充电流为0，电池内部只有固有的

自放电电流。

2:

当满充时电池单体电压（2*V_flt-Vthrs_gas）

I_flt到2xI_flt之间线性增加。

3:

当满充时电池单体电压V_cell>Vthrs_gas，浮充电流维持在常数，但是产生气泡效应，产生气

泡电流。

下面通过仿真实例分析

浮充电流

充电电压满足（2*V_flt-Vthrs_gas）

I_float=2*6*I_flt（V_cell-V_float_th）/（Vthrs_gas-2V_float_th）

其中V_float_th表示浮充电流开始产生的门限电压，V_float_th=2*V_flt-Vthrs_gas

以某个额定容量为6安时（标称放电电流为1A）的电池为例，其在25摄氏度时标称满充电压为V_flt=2.275V/cell,此时浮充电流为20mA,则可以得到，气泡效应门限电压Vthrs_gas=2.39V/cell

（Vthrs_gas必须大于V_flt）。

标称浮充电流为l_flt=3.33mAA.hr。

浮充电流产生的门限电压=2*V_flt-Vthrs_gas=2.16V/cell

改变充电电压进行参数扫描仿真可以得到不同充电电压下的电池注入电流，如图3-7

S3-7

在这个图形中我们选择三个点进行验证，如下：

单体充电电压=2.11V时，浮充电流为0。

单体充电电压=2.249V时，浮充电流=2*6*l_flt（2.249-2.16）/（2.39-2.16）=15.4mA,

单体充电电压=2.355V时，浮充电流为=2*6*I_flt（2.355-2.16）/（2.39-2.16）=33.5mA

可以看到，理论计算和仿真结果是完全符合的（单体充电电压=2.11V时对应的电流625uA是内部

固有自放电电流）。

气泡效应：

当单体充电电压大于Vthrs_gas时，除了浮充电压，电池中会产生气泡电流，按照以下公式

I_gassing=inom*{exp[（V_cell-thrs_gas）/dvgas]-1}其中，inom为定义电池容量的标称放电电流。

同样是上面的电池模型，如果参数Dv_gas=3V/cell，改变充电电压进行参数扫描仿真结果如图3

-8

I_float=2X6XI_flt=40mA

则总共的注入电流应该=44mA，仿真结果与理论计算完全符合。

325温度参数

正如前面描述的，电池是一个温度敏感的器件，当温度变化的时候，很多参数都会响应调整。

仿真模型中提供了一下一些温度效应的参数。

影响放电过程的温度参数

Fah_low与tlow低温容量比和对应温度。

我们知道，电池容量会随着温度降低而变小，Fah_low

就表示在低于标称温度时的容量比例。

例如。

，从手册上我们可以查到温度为-15度时容量为标称容

量的62%，则Fah_low=0.62,tlow=—15。

Fah_thi与t_high高温容量比和对应温度，Fah_thi就表示在高于标称温度时的容量比例，例如。

，

从手册上我们可以查到温度为40度时容量为标称容量的109%，则Fah_thi=1.09,tlow=40。

仿真图形见2.1.4

影响保持特性的温度参数

影响保持特性（或者自放电特性）的参数主要是Dtemp_sd，在3.2.3中已经叙述过，仿真结果见图

3—5。

影响充电过程的温度参数

这种影响主要表现在对于气泡效应门限电压的变化上面，基本关系如下：

温度△Vthrs_gas（V/cell）

-20+0.508

10

+0.26

0

+0.15

10

+0.08

20

+0.025

25

0

30

-0.025

40

-0.06

50

-0.09

从前面浮充电流以及气泡效应电流的公式可以看出，这种变化会使得温度升高的时候，浮充电流变

小，但是会使得气泡效应的电流加大，仿真结果如图3-9

Ui\

S3-3

四总结

总的来说，SABER中提供的蓄电池模型是比较精确和接近实际的，但是它参数很多，定义的时候需要和把仿真结果和产品手册的数据与图形对比，进行正，才可以得到一个比较真实的模型。

该模型也有一些局限，主要是它没有包括以下一些蓄电池的特性。

不同电池单体间的离散性，电池是由很多个电压相等的单体串联组成的，但是实际中，各个单体间参数会由有微小差异，仿真模型中没有反映这个差异。

老化效应，电池的化学物质会随着时间变化失效，导致电池参数的改变。

动态热效应，电池内部为液体，各个部分温度分布不会很均匀，而仿真模型的温度效应均假设电池内部温度一致。

超深度放电特性，电池单体电压低于0.5V/cell的情况。