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        車載蓄電池仿真模型設(shè)計(jì)

        2016-07-28 09:36:39趙公旗趙紅玉狄謙星劉建峰郭晨光長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心河北保定071000
        汽車電器 2016年5期

        趙公旗,趙紅玉,狄謙星,劉建峰,郭晨光(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北 保定 071000)

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        車載蓄電池仿真模型設(shè)計(jì)

        趙公旗,趙紅玉,狄謙星,劉建峰,郭晨光
        (長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)
        研究中心,河北 保定071000)

        摘要:介紹蓄電池特性曲線;基于Matlab和Simscape仿真軟件設(shè)計(jì)蓄電池模型。通過(guò)試車驗(yàn)證,本設(shè)計(jì)可滿足車輛出廠需求。

        關(guān)鍵詞:靜態(tài)電流;退化率;自損耗

        車載蓄電池的作用主要是為整車提供起動(dòng)電源,以及發(fā)電機(jī)輸出能力無(wú)法滿足負(fù)載需求或不發(fā)電時(shí)為整車提供電力支持,同時(shí)可以存儲(chǔ)剩余電量,使供需平衡,保證車輛可靠運(yùn)行。目前汽油和柴油或燃?xì)馄嚿铣S玫碾姵貫殂U酸蓄電池[1],常見(jiàn)的鉛酸蓄電池有:富液電池、平板電池、卷繞電池等。帶智能起停功能的汽車常選用平板式鉛酸蓄電池。

        隨著電池行業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的精益求精,對(duì)鉛酸蓄電池的研究也在進(jìn)一步的伸延,逐漸了解到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉛酸蓄電池的剩余電量,是提高蓄電池使用壽命的一個(gè)重要內(nèi)容。蓄電池在實(shí)際使用當(dāng)中常處于復(fù)雜的工況環(huán)境,使得蓄電池充放電電流波動(dòng)劇烈,難以準(zhǔn)確測(cè)量。蓄電池剩余電量的估算一直以來(lái)都是該領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

        1 蓄電池特性曲線

        圖1 某型號(hào)70Ah平板鉛酸蓄電池特性曲線

        在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前,由蓄電池直接供電的汽車電器設(shè)備,一般選取12V的蓄電池供電。蓄電池由6個(gè)單格電芯串聯(lián)而成,6個(gè)單格電芯串聯(lián)蓄電池的標(biāo)稱電壓為12V,其實(shí)際電壓值約在12.5~12.9V。某型號(hào)70Ah平板鉛酸蓄電池特性曲線如圖1所示。

        1)圖1a為存儲(chǔ)能力退化特性曲線,該圖所示為

        30%放電深度的特性曲線。其中縱坐標(biāo)為蓄電池SoC (State of Charge),橫坐標(biāo)為蓄電池使用月數(shù),平均每天使用3次,放電深度DoC(Depth of discharge)達(dá)到20%~35%計(jì)為一次。

        蓄電池退化率是指隨著蓄電池充放電次數(shù)增多而額定容量逐漸變小的現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中,新的鉛酸蓄電池容量會(huì)隨著電池的使用先增大后減小,直至電池報(bào)廢,其變化過(guò)程成非線性狀態(tài)。

        2)圖1b為自損耗特性曲線[2-3],其中縱坐標(biāo)為蓄電池SoC,橫坐標(biāo)為蓄電池存放月數(shù)。鉛酸蓄電池自放電根據(jù)產(chǎn)生原因的不同,可以分為物理自放電和化學(xué)自放電。蓄電池在存放期間,電子從電池負(fù)極流向電池正極形成電子電流,該電流與電解液中的離子電流形成電流回路,因此而消耗電量的現(xiàn)象稱為物理自放電;而鉛酸蓄電池在存放期間,由于隔膜隔離性能較差、極片掉粉、極片活性物質(zhì)中夾雜雜質(zhì)等因素,而引起的電池自放電稱為化學(xué)自放電。

        3)圖1c為電池溫度與內(nèi)阻特性關(guān)系曲線,其中縱坐標(biāo)為內(nèi)阻,橫坐標(biāo)為溫度。圖中溫度加了偏移量(35℃),即橫坐標(biāo)的0表示溫度為-35℃,內(nèi)阻單位為mΩ。

        溫度變化對(duì)鉛酸蓄電池容量也有一定的影響。放電時(shí),蓄電池極板的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)的能力隨著蓄電池溫度的升高而逐漸加強(qiáng),在同時(shí)間里放出電量增大;充電時(shí),蓄電池溫度的升高會(huì)促進(jìn)水解反應(yīng)的發(fā)生,析出氣體增多,電極電壓增大,容易導(dǎo)致蓄電池容量變?。?]。

        2 模型設(shè)計(jì)

        2.1使用頻率-放電深度-蓄電池容量

        出廠的蓄電池其容量較滿,一般會(huì)高于標(biāo)稱容量,隨使用次數(shù)的增加,存儲(chǔ)能力逐漸下降。一般駕駛習(xí)慣下,放電深度常小于35%,此時(shí)蓄電池使用壽命較長(zhǎng)。

        本文設(shè)計(jì)模型,將蓄電池使用頻次n考慮為蓄電池充分充電后容量的因數(shù)Kd,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值,通過(guò)Matlab進(jìn)行曲線擬合[5],其中Kd=f(n)=(-2.13E-08)× n5+C,本文中C取0.97較貼合實(shí)驗(yàn)值。

        2.2自損耗曲線-蓄電池電流

        自損耗受電池電量、電池環(huán)境溫度、放置時(shí)間等多方面的影響,一般在1‰~12‰。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合,可得自放電系數(shù)Ki與放電時(shí)間t的關(guān)系式為:Ki=f(t)=0.0000175681×(-4.884486+t)4,m<4。

        2.3溫度-蓄電池容量

        同樣容量的電池,在不同溫度下放電能力是不一樣的,主要是因?yàn)椴煌瑴囟认?,電解液的擴(kuò)散速度不同,內(nèi)阻不同,從而影響自消耗及放電能力,這種影響隨著放電電流的不同而不同,也會(huì)隨著極板的厚度不同而不同。

        溫度和蓄電池容量關(guān)系

        式中:Te——放電終止時(shí)中間單體蓄電池電解液溫度,℃;I20——20 h率放電電流,A;t——放電時(shí)間,h;KT——溫度系數(shù),可取0.01;C20——實(shí)際20h率容量,Ah。

        溫度和蓄電池內(nèi)阻關(guān)系

        式中:Cin——自損耗電量;Kr——內(nèi)阻系數(shù),常取0.75E-03~1.2E-03;Kb——當(dāng)前電池容量;f(Te)——溫度-內(nèi)阻曲線;t——時(shí)間,h。

        2.4模型搭建

        本設(shè)計(jì)基于Simscape進(jìn)行模型的搭建,并輔以曲線擬合等功能。圖2為所搭建模型。

        圖2基于Simulink的仿真模型

        圖2中,輸入?yún)?shù)有:Degradation Ratio退化率;Temperature character溫度特性;External consumption負(fù)載消耗;Inner consumption自損耗。Feedback為輸入端反饋調(diào)節(jié)。輸出參數(shù)有:Current consumption消耗電流曲線;Battery voltage蓄電池電壓曲線;State of charge蓄電池剩余電量曲線;Battery temperature環(huán)境溫度。左邊input model為輸入模型,Battery model為蓄電池模型,右邊Result為模擬結(jié)果顯示。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        選用哈弗某車型,蓄電池為70Ah,該車靜態(tài)放電電流為10~12mA。模擬蓄電池環(huán)境溫度15~35℃,仿真輸出效果圖如圖3所示,其中橫坐標(biāo)統(tǒng)一單位為秒 (s)。

        通過(guò)調(diào)節(jié)不同環(huán)境溫度、放電次數(shù)等驗(yàn)證蓄電池放置1~10周后,電量剩余情況如表1所示。通過(guò)表1可以看出,常溫環(huán)境下,整車靜態(tài)電流設(shè)計(jì)為10~12mA時(shí),可靜置10周以上??蓾M足車輛出廠到用戶手中最大存放時(shí)間90天的要求。

        圖3 示波器抓取曲線圖

        表1 仿真結(jié)果

        參考文獻(xiàn):

        [1]BOSCH著,魏春源,等譯.汽車電氣與電子[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004,89-132.

        [2]張明森.汽車的電量平衡計(jì)算[J].汽車電器,2010 (10):10-12.

        [3]郝飛,鄧恒.汽車蓄電池系統(tǒng)模型及其驗(yàn)證[J].輕型汽車技術(shù),2008(3-4):15-25.

        [4]周奇.鉛酸蓄電池能量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].湘潭大學(xué),2014,12-30.

        [5]王江,付文利,等譯.基于MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真權(quán)威指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013,112-178.

        (編輯心翔)

        中圖分類號(hào):U463.633

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1003-8639(2016)05-0007-02

        收稿日期:2015-12-30;修回日期:2016-01-17

        作者簡(jiǎn)介:趙公旗 (1986-),男,電氣架構(gòu)工程師,碩士,從事汽車電子電氣架構(gòu)工作,研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、總線開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)、電能管理、電平衡設(shè)計(jì)。

        Simulink Model Design of Vehicle Battery

        ZHAO Gong-qi,ZHAO Hong-yu,DI Qian-xing,LIU Jian-feng,GUO Chen-guang
        (R&D Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technical Center of HeBei,Baoding 071000,China)

        Abstract:The article introduces battery characteristics distribution,and gives a Simulink model of battery design based on Matlab and Simscape.Through real car test,this design is proved to satisfy the manufacturing demand.

        Key words:quiescent current;degradation ratio;self-consumption

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