铅酸蓄电池三阶动态模型的仿真研究.pdf

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1、第33卷第1／2期东北电力大学学报V01．33．No．1／22013年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2013文章编号：1005—2992(2013)01／02—0103—06铅酸蓄电池三阶动态模型的仿真研究李军徽，焦健2，严干贵，穆钢，高春雷，罗卫华(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2．黑龙江省电力有限公司检修公司，哈尔滨150090；辽宁省电力公司，沈阳110000)摘要：介绍了一种铅酸蓄电池的三阶动态模型，在数字仿真软件中建立了其仿真模型，然后通过电池的完整充放电过程验证了仿真模型的准确性及有效性，并得

2、出了电池充放电过程中制约其充放电效率、容量的关键因素，为电池合理使用及状态监测提供了依据。关键词：铅酸蓄电池；等效电路；三阶动态模型中图分类号：TM912．4文献标识码：A引人大规模电池储能系统是平抑风电出力波动，改善风电并网性能，提高风电可调度性的有效途径_lj。相比其他类型蓄电池，铅酸蓄电池技术成熟且性能良好，体现在其制造工艺成熟、运行安全、价廉，动力性价比高，实际应用效率较高，目前仍是储能系统中广泛采用的蓄电池。为了掌握铅酸蓄电池储能系统的性能与运行约束，为储能系统容量优化配置及运行控制策略制定奠定基础，则有必要深入研究铅酸蓄电池的动态特性和运行规范。铅酸蓄电池充放电是电

3、能与化学能转换的过程，而蓄电池内部的电化学反应是一个对电池状态和环境敏感的复杂的非线性过程。电化学专家开发的电池模型非常复杂，更适用蓄电池本身设计和生产。在电气工程领域，更希望采用常见的电气元件，通过蓄电池电压电流外特性之间的关系，建立一个足够精确的等效电路模型，清晰描述铅酸蓄电池的充放电特性及其状态。相比较实验，仿真模型更加便捷经济。常见的等效电路模型如文献[2]、[3]介绍的初等模型，该模型由理想电压源和一个定值内阻构成；文献[4]介绍了一种基于初等模型的优化模型，考虑了内阻的变化与蓄电池剩余容量之间的关系；文献[5]介绍了Thevenin电池模型，该模型由理想电压源、定值

4、内阻、定值过电压内阻和电容构成；文献[6]考虑了开路电压和内阻关于蓄电池荷电状态的非线性特性，提出了一种基于Thevenin模型的改进模型。上述模型只考虑了铅酸蓄电池的电压电流间的关系，改进模型只考虑了蓄电池荷电状态对模型中部分元件的影响，以上模型均没有考虑电解液温度、充放电的深度对电池电量的影响。本文介绍了一种铅酸蓄电池的三阶动态模型，分析了其数学模型的物理含义，并应用三阶动态模型对铅酸蓄电池进行了建模仿真，通过典型的蓄电池充放电仿真结果对所建立的模型的准确性和有效性进行了验证。1铅酸蓄电池原理铅酸蓄电池的工作原理相对简单，包括正负两极和电解质，正极活性物采用二氧化铅(PbO

5、)，负极收稿日期：2012—11一l9基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA05Al12)；国家自然科学基金项目(60934005)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2012]第89号)；东北电力大学博士点基金资助(BSJXM一201205)作者简介：李军徽(1976一)，男，陕西省宝鸡市人，东北电力大学电气工程学院副教授、博士，主要研究方向：新能源并网关键技术．104东北电力大学学报第33卷活性物采用铅(Pb)，电解质采用硫酸(HSO)。典型的电池结构如图1所示。铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进

6、入正极板形成电流。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个导电回路形成，蓄电池向外持续放电。充电是放电的反向过程。充电使正、负极板在放电时消耗了的活性物质还原，并把外接电源的正极电流从蓄电池的正极板流人，经电解液图1铅酸蓄电池工作原理和负极板流回外接电源负极。蓄电池充放电时的化学反应如下所示：放电电极反应式：PbO2+HSO4-+3H+2e一PbSO4+2H20，Pb+I-ISO2—2e一PbSO+H．充电电极反应式：PbSO4+2H20—2e一—}Pb02+HS04-+3H，PbSO+H+2e一—}Pb+HS04-．2铅酸

7、蓄电池三阶动态模型2．1电气模型C1三阶动态模型由MassimoCeraolo提出J，电气模型如图2所示。模型主要包含两个部分：主反应支路和寄生反应支路。主反应分支包括电动势EE容性内阻R、容性电容c、内阻；：近似表示过充电电阻；寄生反应支路是图2中L流过的支路，主要考虑蓄电池充电过程中的水解反应和析气反应。图2三阶动态电气模型根据欧姆定律，蓄电池的端电压的表达式为V=E+腑+，m2+，l1．(1)蓄电池内部损耗功率表达式为P=R0+R2+1+，D．(2)2．2数学模型由于铅酸蓄电池内部的电