标题 | 电池模拟器技术综述 |
范文 | 摘 要:随着电池行业的日益扩张,电池的测试也越来越被重视。而电池模拟器作为研究电池性能的主要手段,有着无法比拟的优势。本文对电池模拟器的原理、类型进行了总结,分析了电池模拟器的缺点和不足,给出了电池模拟器未来的研究方向及发展趋势。 关键词:电池模拟器;类型;趋势;技术综述 储能技术是解决现代电力系统中可再生能源并网难题的关键技术。储能电池是最主流的储能技术,如果使用储能电池原型进行研究,一方面购置、维护储能设备需要大量的费用,另一方面在进行极端工况的实验时难免造成损坏,增加了对储能的研究成本,延缓了研究进度。其次对储能系统配套和辅助领域进行研究时,也带来了诸多不便和困难,如无法灵活调节储能电池参数、无法准确控制储能电池工况、电池充放电时间较长等。因此很有必要使用電池模拟器来代替电池原型进行实验和研究,便于降低研究成本、加快研究进度、减少实验的不便。 一、电池模拟器分类 电池模拟器是一种模拟储能电池外特性的装置,具有成本低、结构简单、使用方便、易于维护的特点。现在已经研制出多种电池模拟器,根据原理的不同,现有的电池模拟器可以分为模拟式电池模拟器和数字式电池模拟器两类。 (一)模拟式电池模拟器 模拟式电池模拟器大多以小功率的样品电池作为参考模型,通过对样品电池的V-I 特性进行跟踪和功率放大来实现模拟。模拟式电池模拟器的主要不足是主电路简单,输出功率小,处理功能不强,特性误差大。 (二)数字式电池模拟器 数字式电池模拟器则是结合计算机控制技术、电力电子技术和控制技术研制而成,具有较强的处理能力和更大的输出功率。其中,根据控制器的不同可分为基于上位机和基于单片机两种。基于上位机的数字式电池模拟器原理是利用功能强大的上位计算机作为 CPU,在上位机的存储器中手动录入电池外特性数据,工作时根据工作状况通过查表的方法来确定实际工作点,然后控制开关器件使其输出给定的电压。这是一种较为精确的方法,但需要手动输入大量数据,工作量大,并且需要有功能强大的上位机,成本高。基于单片机的数字式电池模拟器的原理也类似,但是以功能强大的单片机取代专用的上位机,保证了一定精度的前提下降低了成本,是目前的主流电池模拟器。 从应用的储能电池种类不同可以分为几种: 1.光伏电池模拟器 太阳能光伏电池模拟器,由于光伏电池板的造价高,提高了光伏电池研究成本。因此,利用光伏电池模拟器可以方便地模拟光伏电池在各种工况下的工作特性,代替实际光伏电池进行各种实验,有助于缩短研发周期,提高研究效率。同时,由于光伏电池模拟器只需考虑放电工况,所以它们均选择了不控整流+DC/DC 变流器或者直流稳压电源+DC/DC 变流器的拓扑结构。 2.燃料电池模拟器 针对使用燃料电池将涉及氢气存储和场地建设等一系列问题,且燃料电池的购买成本与运行维护成本均较高等问题,燃料电池模拟器装置采用直流稳压电源+buck 变流器的拓扑来实现对燃料电池的模拟。 3.镍氢电池模拟器 用于航空领域的镍氢电池模拟器,该装置采用转换装置分别模拟充电工况和放电工况。 4.全智能电池模拟器 全智能电池模拟器一般用于新能源汽车电机领域,该装置作为一种电源装置,可以方便用于新能源汽车的电机及其控制器测试中。其拓扑结构采用三相电压型 PWM 变流器+双向 DC/DC 变流器,可以方便地实现并网充放电电流的正弦波形和高功率因数控制,对电网无污染。 此外准确的电池模型是研制电池模拟器的基础。根据模型的形式,电池模型有电化学模型、数学模型和电气模型三种。电池的电气模型还可以细分为三种:等效电路模型,交流阻抗模型和运行时间模型。对于交流阻抗模型,它通过电化学阻抗谱的方法得到频域交流等效阻抗模型,随后用一个等效的复阻抗来匹配这个阻抗谱。但是这个匹配过程复杂而且不直观,也不能体现直流特性和电池运行时间。对于运行时间模型,它采用复杂的电路拓扑来仿真电池的运行时间直流特性。采用大电容来表征电池容量,电容电压变化反映了开路电压随充电荷电状态的变化情况。 二、电池模拟器存在的问题 综上述所述,大部分现有的电池模拟器装置均以不控整流器+DC/DC 变流器或者直流稳压电源+DC/DC 变流器作为模拟器的拓扑。这些模拟器存在以下几个不足: (1)模拟对象单一,只能模拟一种特定的电池,如光伏电池模拟器只能模拟光伏电池外特性,而无法模拟其它种类的电池。 (2)拓扑存在不足,在不控整流器+DC/DC 变流器的拓扑下能量只能单向流动,无法双向流动,只能模拟电池放电工况,无法模拟电池的其它工况,故对可充可放电池的模拟无能为力。 (3)电池种类过少,缺乏新型电池(如液流电池、锂电池和钠硫电池等)的模拟器,给新型大规模储能电池的研究带来困难。 三、发展趋势 (1)发展多功能的电池模拟器,以实现不同种类、不同参数、不同工况的电池的智能模拟,即一台电池模拟器可以同时具备模拟多种电池的功能,为电池储能系统高效、安全、可靠地应用于可再生能源系统和电网提供有力的技术支撑。 (2)研究新型电池的模拟器研究,比如液流电池、钠硫电池等电池的模拟器。 (3)研究电池模拟器和电网之间能量的双向流动,电池模拟器能够同时模拟电池的充电情况和放电情况。 (4)研究准确的电池模型。 四、结语 本文对电池模拟器的概况进行了介绍,研究了现存电池模拟器的缺点不足,指明了电池模拟器未来的发展趋势。 作者简介:李龙(1989-),男,汉族,河北人,硕士,研究实习员,工作单位:国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心;毕业院校:中国石油大学(北京)。 |
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