Моделирование цикла "заряд-разряд" литий-ионной аккумуляторной батареи

Введение

Литий-ионные батареи (ЛИАБ) - одни из наиболее распространенных источников энергии. ЛИАБ обладают высокой плотностью энергии, они долговечны и имеют низкий уровень саморазряда, что делает их востребованными в современных технологиях.

В данной лабораторной работе будет разработана модель для сравнения параметров, полученных экспериментально и при моделировании с использованием блока Литий-ионная аккумуляторная батарея.

Цель работы

  • Приобрести навыки для моделирования систем с использованием ЛИАБ в SimInTech

Задачи работы

  • Изучить особенности работы с блоком Литий-ионная аккумуляторная батарея
  • Разработать модель разрядного стенда для получения характеристик ЛИАБ
  • Исследовать цикл "заряд-разряд" ЛИАБ

Задание 1. Разработка модели разрядного стенда с постоянными значениями температуры и тока разряда

В данном задании будет:
  • разработана модель разрядного стенда с постоянными значениями температуры и тока разряда
  • построен сравнительный график напряжения на ЛИАБ
  • проведен анализ результатов моделирования

Создание нового проекта

Для создания нового проекта необходимо:
  1. В главном окне SimInTech нажать кнопку Файл и выбрать пункт Новый проект
  2. В выпадающем меню выбрать пункт Схема модели общего вида (Рисунок 1).


    Рис. 1. Главное окно SimInTech c выделенным меню создания нового проекта.
  3. Сохранить проект с названием по умолчанию или указать желаемое имя проекта

Разработка модели разрядного стенда

Основными характеристиками литий-ионного элемента (ЛИЭ), из которого состоит ЛИАБ, являются его разрядные характеристики – зависимость напряжения от отданной емкости. Для получения разрядных характеристик используются специализированные лабораторные установки, позволяющие проводить экспериментальные разряды ЛИЭ постоянным током с поддержанием постоянной температуры.

Для моделирования работы такого стенда необходимо разместить на схеме следующие блоки, задав им подписи согласно рисунку (Рисунок 2):
  • 2 блока Константа из вкладки Источники. Данные блоки будут формировать значение температуры на ЛИАБ и величину разрядного тока
  • 1 блок Литий-ионная батарея из подменю Источники вкладки ЭЦ-Динамика. С помощью данного блока будут получены характеристики ЛИАБ
  • 1 блок Идеальный вольтметр из подменю Измерители вкладки ЭЦ-Динамика. С помощью данного блока будет измеряться напряжение на ЛИАБ
  • 1 блок Источник тока из подменю Источники вкладки ЭЦ-Динамика. Данный блок будет источником тока в цепи
  • 1 блок Временной график из вкладки Вывод данных. Данный блок будет использоваться для визуализации изменения величины напряжения на ЛИАБ


Рис. 2. Окно проекта с добавленными блоками.

Задание свойств блоков

Для блока Константа с подписью "Температура" требуется задать значение свойства "Значение" равным 20 (Рисунок 3).


Рис. 3. Окно "Свойства" блока "Константа" с подписью "Температура".
Для блока Константа с подписью "Разрядный ток" задать значение свойства "Значение" равным 4 (Рисунок 4).


Рис. 4. Окно "Свойства" блока "Константа" с подписью "Разрядный ток".
Для блока Литий-ионная батарея задать значение свойства "Начальное напряжение" равным 4.2 (Рисунок 5).


Рис. 5. Окно "Свойства" блока "Литий-ионная батарея".
Для блока Источник тока задать значение свойства "Внешний сигнал" из подгруппы "Дополнительные параметры" равным "Да" (Рисунок 6) и на вкладке Порты для порта "is" задать расположение "Справа" (Рисунок 7).


Рис. 6. Окно "Свойства" блока "Источник тока".


Рис. 7. Окно "Свойства" блока "Источник тока" на вкладке "Порты" с выделенным параметром порта, который необходимо изменить.
Для того, чтобы настроить отображение результатов в блоке Временной график с подписью "Напряжение", требуется двойным нажатием левой кнопки мыши по блоку Временной график с подписью "Напряжение" открыть окно График. В окне График вызвать контекстное меню нажатием правой кнопкой мыши и выбрать Свойства. Далее в окне Свойства графика на вкладке Общие задать в свойстве "Заголовок" название "Напряжение" и отключить свойство "Показывать легенду" (Рисунок 8).


Рис. 8. Окно "Свойства графика" на вкладке "Общие" с выделенными свойствами, которые необходимо изменить.
После задания свойств необходимо соединить блоки линиями связи согласно рисунку (Рисунок 9).


Рис. 9. Окно проекта с соединенными блоками.
Перед тем, как приступать к следующему пункту задания, необходимо сохранить проект.

Настройка параметров расчета

Необходимо открыть окно Параметры проекта нажатием на кнопку Параметры расчёта на панели кнопок окна проекта (Рисунок 10).


Рис. 10. Окно проекта с выделенной кнопкой "Параметры расчёта".
В окне Параметры проекта установить следующие значения для следующих свойств (Рисунок 11):
  • "Минимальный шаг" - "0.1"
  • "Максимальный шаг" - "0.1"
  • "Конечное время расчета" - "3600"


Рис. 11. Окно "Параметры проекта" с выделенными свойствами, которые необходимо изменить.

Запуск моделирования и построение графика

После настройки проекта для построения графика необходимо запустить проект на моделирование нажатием на кнопку Пуск (Рисунок 12).


Рис. 12. Окно проекта с выделенной кнопкой "Пуск".
После окончания расчета график в блоке Временной график с подписью "Напряжение" будет выглядеть согласно рисунку (Рисунок 13).


Рис. 13. График "Напряжение".

Поскольку разряд батареи происходит при постоянном токе, напряжение на ЛИАБ постепенно уменьшается. Пока ЛИАБ поддерживает напряжение (допустимая нагрузка зависит от технических характеристик самой ЛИАБ), спад напряжения не резок, но чем дольше длится воздействие разрядного тока на батарею, тем активнее происходят изменения.

Задание 2. Разработка модели разрядного стенда

В данном задании будет:
  • разработана модель разрядного стенда
  • построен сравнительный график экспериментальных данных и результатов моделирования
  • проведен анализ результатов моделирования

Разработка модели цикла "заряд-разряд"

Для моделирования цикла "заряд-разряд" требуется удалить из схемы два блока Константа с подписями "Температура" и "Разрядный ток". Для этого:
  1. Одинарным нажатием левой кнопкой мыши выделить удаляемый блок
  2. Одинарным нажатием правой кнопкой мыши по выделенному блоку вызвать контекстное меню и в нем выбрать пункт Удалить. Или использовать клавишу "Backspace"
Далее необходимо добавить на схему следующие блоки и задать подписи блокам согласно рисунку (Рисунок 14):
  • 1 блок Из файла из вкладки Источники. С помощью данного блока из файла будут считываться экспериментальные данные
  • 1 блок Демультиплексор из вкладки Векторные. С помощью данного блока будет происходить разделения сигнала, получаемого из блока Из файла, на составляющие
  • 1 блок Временной график из вкладки Вывод данных. С помощью данного блока будет визуализироваться значение силы тока, подаваемое на ЛИАБ


Рис. 14. Окно проекта с добавленными блоками.
Необходимо изменить свойства следующих блоков:
  • для блока Из файла задать значения свойств: "Число функций в файле" - "3" и "Имя файла данных" - "Разряд и заряд.csv" (Рисунок 15).


    Рис. 15. Окно "Свойства" блока "Из файла".
    Прим.:
    файл "Разряд и заряд.csv" необходимо взять из директории SimInTech\Demo\Электрика\ЭЦ-Динамика\Литий-ионные аккумуляторные батареи\Моделирование разрядной кривой и поместить в папку, в которой сохранен проект с текущей лабораторной работой
  • для блока Демультиплексор необходимо задать значение свойства "Массив размерностей выходов" равным "[1 , 1 , 1]"
  • для блока Литий-ионная батарея задать значение свойства "Начальное напряжение" равным "3.837"
  • для блока Временной график с подписью "Сила тока" в окне Свойства графика на вкладке Общие задать в свойстве "Заголовок" название "Сила тока" и отключить свойство "Показывать легенду"
  • для блока Временной график с подписью "Напряжение" задать значение свойства "Количество входных портов" равным "2"
После изменения свойств необходимо соединить блоки линиями связи согласно рисунку (Рисунок 16):


Рис. 16. Окно проекта с соединенными блоками.

Перед тем, как приступать к следующему пункту лабораторной работы, необходимо сохранить проект.

Запуск моделирования и построение графиков

Перед запуском моделирования необходимо настроить Параметры расчёта проекта. Для этого требуется открыть окно Параметры проекта и задать "Конечное время расчета" равным "1800".

Далее требуется запустить проект на моделирование нажатием на кнопку Пуск.

Для блока Временной график с подписью "Напряжение" требуется изменить настройки отображения графика, для этого в окне Свойства графика задать следующие свойства:
  1. На вкладке Графики и оси:
    • Для первого графика задать значение свойства "Название графика" - "Смоделированное напряжение"
    • Для второго графика задать значение свойства "Название графика" - "Экспериментальное напряжение"
  2. На вкладке Общие включить свойство "Показывать легенду"
После окончания расчета графики "Напряжение" и "Сила тока" будут выглядеть согласно рисункам (Рисунок 17 и Рисунок 18).


Рис. 17. График "Напряжение".


Рис. 18. График "Сила тока".

По графику (Рисунок 17) заметно, что при увеличении тока в цепи, напряжение на батарее уменьшается, а при уменьшении тока - напряжение увеличивается. Также видно, что экспериментальное напряжение почти не отличается от полученного при помощи моделирования, следовательно модель разрядного стенда работает верно.

Заключение

В данной лабораторной работе была разработана модель разрядного стенда с использованием блока Литий-ионная аккумуляторная батарея из библиотеки ЭЦ-Динамика и проведено моделирования разряда батареи.