航空用动力锂电池组工作特征的研究

锂电池以其电压高、大容量、自放电小、体积小和重量轻等特点,在航空领域的应用越来越普遍[1-3],主要用于通用飞机和无人机的舱盖开关、数据下载、应急电源供电、应对电源转换电压控制、启动辅助动力装置供能、检查仪器仪表和点火供能、紧急情况下的应急供电等。在军用机及无人机上的应用取得成功后,大量的空运客机开始使用锂离子电池组。然而,与锂电池在航空领域的应用不断增加相比,其安全管理系统的研究显然处于较为落后的状态[4-5]。

由于锂电池的反应过程比较复杂,因此需要加强对其工作特性与输出电压的跟踪,并以此为依据不断完善电池的管理系统,这样才能保证锂电池在航空工作中的稳定状态和能量利用效率[6-7]。针对锂电池的状态估算和输出跟踪,相关的技术人员开展了大量研究,例如开路电压法虽然简单易行,但是需要长时间的搁置才能获得较高的精度值;神经网络法可以很好地解决电池放电非线性问题,可以准确地估算电池荷电状态,不足之处在于此方法需要大量的样本数据进行训练,受样本数据及其训练方法影响较大。本文从等效电路方法入手,对锂电池的内部结构进行模拟建模,对输出电压进行了不同条件下的反应实验研究,对其工作特性进行了更深入的了解,为加强航空锂电的安全利用提供了数据支持。

1 理论分析

1.1 锂电池工作特征

在当前的航空领域,高比能量、高标称电压、使用寿命长的锂电池应用率不断提升[8]。由于单个锂电池的容量、电压都较小,因此,在实际使用时,常常是将锂电池串联起来,形成容量更大、电压更高的锂电池组进行应用。在航空控制系统中,航空锂离子电池组是其重要的子系统,并有非常精确的工作模式:首先,在发动机正常工作的情况下由发电机为控制系统供能,并切断电池组供能;其次,当变压整流器电压波出现异常,并被电池管理系统监测到时,由电池组代替发电机进行供能;第三,当电池组电量过低时,电池管理系统将供能源调整为发电机,并由发电机向电池组进行间歇电能补充。

就工作特征而言,航空锂电池组具有如下特征:大多数机载状态下一般保持完全搁置或间歇性小电流充电状态;当动力供能时,需要IC甚至更高的大电流输出;为保证航空状态的安全性,需始终确保对其剩余电量SOC值的明确显示,并对其应急返航的能力进行描述,为航空器是否继续飞行、应急返航或驾驶人员跳伞提供依据。

在实际应用中已发现锂离子电池组在航空使用中会出现SOC估算不准确的问题,经过研究发现,造成这一问题的主要原因有:因剧烈的电流波动使得在设备检查和点火情况易出现估算误差;在锂电池组因频繁搁置和间歇小电流补充电过程中进行电流检测,常常会出现累积误差;当出现应急大电流波动输出时,受平台效应影响,常常会出现估算误差;当锂电池形成模组时的SOC估算,因单体之间的不平衡常常会影响估算精度;由于进行SOC估算采用的安时积分法无法将电流波动、自放电及平衡状态等因素考虑在内,使得估算结果不精确,依然需要依靠定期地面维护保证锂电池组的正常运行状态。

1.2 等效与模拟

针对锂电池组在航空系统中的应用,相关技术人员对其内部机理进行了分析,并构建了相应的电化学模型,利用模型对电池的工作过程进行了模拟。为了提高电池模型模拟电池工作状态的精度,同时减少对电池组本身复杂程度的构建,一般采用Shepherd模型、Unnerwehr universal模型、Nemst 模型应用于针对锂电池组的电化学模型构建。三个模型的公式分别为:yk=E0-Rik-Ki/xk(Shepherd模型);yk=E0-Rik-Kixk(Unnerwehr universal模型);yk=E0-Rik-K1lnxk+K2ln(1-xk)(Nemst模型)。

以上三个模型采用的公式,电池端电压均为y,E0代表电池SOC=1时的电池电动势,电池的放电内阻或充电内阻以R代表。

为了提高模型的数据精度,将以上三个模型进行结合,进而得到组合模型:

在相关实验中发现,在进行1C5A放电实验时,原组合模型无法针对锂电池组工作特殊情况达到准确的拟合,因此通过优化模型去掉了原组合中的K4ln(1-xk)项,由此获得了更好的曲线拟合,并最终确定了相关方程式:

根据模型参数确立目标,并结合其非线性曲线拟合特点,确定采用最小二乘法实现参数辨识过程。其工作原理为,将实验结果数据设定为(xk,yk)(k=0,1,2，…,m),其中自变量x和因变量y的函数关系公式为y=S(x;E0,R,K1,…,K3)。公式中,R,K1,…，K3为待定参数。考虑到观测数据的准确性问题造成的误差,同时由于给定数据的数量m比街定参数数量(5)多,因此,在针对该问题的分析解决过程中,不要求y=S(x)=S(x;E0,R,K1,…,K3)通过点(xk,yk)(k=0,1,2…,m),只需要在给定点xk上的误差的平方和最小。

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