Batteriemodellierung

Modellieren von Batterien für den Entwurf batteriebetriebener Systeme

Batteriemodelle sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug für den Entwurf batteriebetriebener Systeme geworden. Zu ihren Anwendungen gehören die Auswahl des geeigneten Batteriemodels and dessen Parameterisierung, die Schätzung des Ladezustands (State of Charge, SOC) und des Systemzustands (State of Health, SOH), die Algorithmenentwicklung, die Optimierung auf Systemebene und die Echtzeit-Simulation für das Design von Batteriemanagementsystemen.

Batteriemodelle auf der Grundlage äquivalenter Schaltkreise werden aufgrund ihrer relativen Einfachheit für die Entwicklung und Steuerung von Anwendungen auf Systemebene bevorzugt. Hierbei werden äquivalente Schaltkreise verwendet, um das thermoelektrische Verhalten von Batterien zu modellieren. Dabei werden nichtlinearen Elemente mit Korrelationstechniken parametriert, die Modelle mit experimentellen Messungen abgleichen.

Ersatzschaltbild eines Schaltkreises einer Batterie mit drei unterschiedlichen Zeitkonstanten, Innenwiderstand und Leerlaufpotenzial.

Batteriecharakterisierung

Der erste Schritt bei der Entwicklung eines genauen Batteriemodells ist die Erstellung und Parametrisierung eines äquivalenten Schaltkreises, der das nichtlineare Verhalten der Batterie und die Abhängigkeiten von Temperatur, SOC, SOH und Stromstärke widerspiegelt. Diese Abhängigkeiten sind spezifisch für die chemische Zusammensetzung jeder Batterie und müssen anhand von Messungen an Batteriezellen bestimmt werden, die genau vom selben Typ sind wie die, für die der Regler entworfen wird. Beispiele für Batteriemodelle stehen in MATLAB Central zum Download bereit.

Spannungsantwort (oben) auf eine pulsförmige Stromentladung (Mitte) und resultierender SOC (unten) für eine Li-NMC-Ionen-Batterie.

SOC-Schätzung

Eine häufige Anwendung von Batteriemodellen ist die Entwicklung von Algorithmen zur SOC-Schätzung. Die Messung der Leerlaufspannung (OCV) und die Integration über den Stromverlauf (Coulomb-Zählung) können häufig brauchbare Schätzungen für den SOC abgeben. Um jedoch den SOC für moderne Batteriechemikalien mit flachen OCV-SOC-Entladungssignaturen zu schätzen, müssen Sie einen anderen Ansatz, wie beispielsweise eine Kalman-Filterung, verwenden.

Degradierung

Batterien verschlechtern sich im Laufe der Zeit aufgrund ihrer Kalenderlebensdauer und ihrer Lade- und Entladezyklen. Dies zeigt sich in einem allmählichen Verlust der Kapazitätsreserven und einer Erhöhung des Innenwiderstands. Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss sich an diese Änderungen anpassen, um die Batterie effektiv steuern zu können. Batteriemodelle können Ihnen helfen, ein BMS zu entwickeln, das die Verschlechterung berücksichtigt.

Fortschreitende Verschlechterung einer Lithium-Ionen-Batterie, die sich in einem Anstieg des Innenwiderstands (R0) und der Zeitkonstanten (τ1 , τ2 , τ3) widerspiegelt, bei minimaler Variation des Leerlaufpotenzials (Em).

Simulation in Echtzeit

Hardware-in-the-Loop-Tests von BMS sind eine weitere häufige Anwendung von Batteriemodellen. Ein für das Design auf Systemebene entwickeltes Batteriemodell kann für die Echtzeitsimulation wiederverwendet werden.

Weitere Informationen zur Batteriemodellierung finden Sie in den folgenden Beispielen, Webinaren und Konferenzpapieren, in denen MATLAB®- und Simulink®-Produkte verwendet werden.

Entwicklung von Batteriemanagement-Systemen in Simulink

Sie gelangen von einfachen Aufgaben zu komplexeren Vorhaben, indem Sie interaktive Beispiele und Tutorials nutzen.

Kostenlose Testversion anfordern

Eine 30-tägige Erkundungstour auf Knopfdruck.