基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法研究

汪若冰

(桐城師范高等專科學校，安徽 安慶 231400)

過去幾十年間，鋰離子電池在移動設備、電動汽車和儲能站中得到了廣泛應用。然而，考慮到鋰儲量和價格，亟需找到一種新型的替代品[1]。由于鈉儲量豐富并且價格便宜，因而鈉離子電池被認為是最有潛力的鋰離子電池替代品[2]。隨著鈉離子電池在工業生產中的廣泛應用，對鈉離子電池的輸出穩定性和負載均衡性提出了更高的要求，需要構建鈉離子電池的輸出穩定性控制模型，并對鈉離子電池性能進行測試，因此相關鈉離子電池性能測試方法的研究受到人們極大關注[3]。近幾年對鈉離子電池性能的研究相繼取得了重要進展，研究體系也在不斷豐富[4]。對鈉離子電池的穩定性測試是建立在對鈉離子電池的參數優化調節基礎上，為實現鈉離子電池性能準確測試的目標，本文提出基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法。通過仿真實驗測試，驗證了本文方法在提高鈉離子電池性能測試能力和測試輸出穩定性方面的優越性能。

1 控制約束參量和電池輸出穩定性控制

1.1 控制約束參量分析

為實現基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試，需要構建鈉離子電池性能的約束參量模型，將輸出功耗、電池交流阻抗、出口側電阻、電力負荷等參數作為控制約束參量。采用電源間歇性波動調節方法，分析鈉離子電池的單極性特征分布集[5]，得到鈉離子電池的三相電壓源變換的特征參量為：

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(1)

Z3=Req+Zs

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

Zm=jωLm

(7)

構建變換器交流側電壓的模糊參數模型，采用虛擬儀器辨識方法對采集到的鈉離子電池性能參數進行自動尋優，尋優函數為：

(8)

根據上述分析，構建鈉離子電池的性能參數模糊補償模型，表示為：

(9)

1.2 鈉離子電池的輸出穩定性控制

采用三相交流電流阻抗抑制方法進行鈉離子電池的輸出穩定性控制，建立鈉離子電池功率[7]和負載的均衡匹配模型，結合交流變換和輸出穩定性調節方法進行鈉離子電池的輸出擾動抑制。其中鈉離子電池的輸出為：

(10)

其中，

(11)

(12)

根據鈉離子電池的直流電容和充放電功率，進行鈉離子電池交流側電壓轉換[8]，方程為：

根據瞬時功率調節方法，得到鈉離子電池儲能裝置的輸出穩定性調節方程，表示為：

(16)

式中，v表示鈉離子電池儲能信號[9]，x1是電壓相量E與U的相角差，x2是電流環輸出特征分量，h為激磁電動勢，由此完成鈉離子電池輸出穩定性控制模型的構建。

2 鈉離子電池性能測試優化

2.1 基于虛擬儀器的電池輸出性能調節

虛擬儀器是將現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物。虛擬儀器充分融合了計算機的運算、存儲、回放顯示及文件管理等功能，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合從而構成一臺與傳統儀器功能完全相同的全新的虛擬儀器系統。虛擬儀器系統結構如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統結構

采用虛擬儀器進行電池輸出性能調節，其具體過程如下。

分析鈉離子電池漏磁系數k1和虛擬轉子角頻率kβ，引入控制環節輸出的虛擬電勢，得到鈉離子電池的動態功率波動，表示為：

(17)

其中，

(18)

(19)

最終求得鈉離子電池的吸收/釋放的瞬時功率[10]為：

(20)

根據瞬時功率計算結果，獲取鈉離子電池效率，其計算公式為：

(21)

采用電池效率控制方法，得到有功功率變化量為：

(22)

其中，鈉離子電池的功率均分系數為μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2為鈉離子電池的虛擬儀器測試參數，基于虛擬儀器的電池輸出性能調節公式為：

(23)

2.2 電池性能測試的輸出穩定性控制與負載均衡設計

采用動態功率波動調節方法，構建鈉離子電池性能測試的輸出穩定性控制模型，表示為：

(24)

式中，z1，z2是鈉離子電池的輸出穩定性狀態特征參數，y是有功功率，z3是升壓比例，β1，β2，β3分別是不同交流角頻率。在動態調節過程中，進行鈉離子電池的虛擬同步轉換調節，得到鈉離子電池的虛擬轉換控制系數，表示為：

(25)

式中，α1,α2是吸收/釋放的瞬時功，kp,kd是瞬時功率平衡系數。通過穩態功率變換方法，得到鈉離子電池性能測試輸出的負載均衡調節函數為：

(26)

(27)

3 仿真測試分析

為測試本文方法在實現鈉離子電池性能測試中的應用效果，進行仿真測試分析。設定鈉離子電池輸出電壓額定值為120V，輸出直流電感為45mH，空載電勢有效值為24V。根據上述參數設定，進行鈉離子電池的輸出穩定性測試，得到輸入端的參數測試結果如圖2所示。

圖2 輸入端的參數測試結果

根據圖2的輸入端參數測試結果，進行鈉離子電池性能測試。本文通過構建鈉離子電池性能測試的模糊穩態控制模型，結合鈉離子電池輸出參數自適應尋優的方法進行鈉離子電池優化測試，其中參數調節結果如圖3所示。

圖3 鈉離子電池的參數調節結果

根據圖3的參數調節結果，進行鈉離子電池性能測試，測試結果如圖4所示。

(a)輸出波動幅值

(b)無功功率變化實驗波形圖4 輸出參數測試結果

分析圖4得知，本文方法進行鈉離子電池性能測試，輸出的穩定性較好，實驗結果與仿真結果一致，提高了鈉離子電池性能測試精度。

結語

本文提出基于虛擬儀器的鈉離子電池性能測試方法。構建鈉離子電池性能的約束參量模型，采用電源間歇性波動調節方法獲取鈉離子電池的單極性特征分布集，構建鈉離子電池性能測試的模糊穩態控制模型，通過對鈉離子電池的輸出參數自適應尋優方法進行鈉離子電池優化測試和輸出參數的自動匹配調節，能夠有效提升鈉離子電池的輸出穩定性。分析得知，采用本文方法進行鈉離子電池性能測試的輸出穩定性較好，參數尋優能力較強，提高了鈉離子電池的性能。