バッテリーセル

バッテリーセルコンポーネントの概要

バッテリーセルコンポーネントは、拡張自己修正セルモデルを表します。これは、バッテリーセル内で自然に発生する物理プロセスを電気的に表現する最先端のモデルです。幅広い特性を柔軟にパラメータ化できるため、非常に基本的なモデルから高度なモデルまで、幅広いバッテリー表現が可能です。シミュレーションは、実行速度パラメータで定義された信号処理時間ステップで実行されます。

バッテリーセルコンポーネントの使用方法と、バッテリーおよびバッテリー ESS (汎用)コンポーネントとの違いを説明する一連のチュートリアルビデオは、以下の埋め込みリンクで参照できます (インターネット接続が必要です)。

強化された自己修正細胞モデル

バッテリーセルモデルは、制御電圧源と電流測定を用いてTyphoon HIL Schematicに実装されています。電圧源を制御する端子電圧信号は、拡張自己補正セルモデルを用いて、過去の状態と測定電流値から構成される信号処理関数です。

このコンポーネントには2つのパワーエレクトロニクス端子があり、上面に正極端子、下面に負極端子があります（図1参照）。さらに、信号処理入力として、セル温度のスカラー入力、またはセル温度のベクトル入力とそれに続くバランス調整入力のいずれかを選択できます。詳細については、「基本パラメータ」（タブ）および「バランス調整回路」（タブ）を参照してください。

セルの短絡は、コンポーネントのSCADA内部入力「Vcell Override」および「Vcell Value Set」を使用してシミュレートできます。Vcell Overrideを1に設定すると、コンポーネントの端子セル電圧がバイパスされ、 Vcell Value Setの値に一致する新しいセル電圧が割り当てられます。Vcell Overrideを0に設定すると、この機能は無効になります。

セル電流は、測定された合計電流（図 2の I_t）からバランス電流（バランス回路が有効になっている場合）を差し引いた後に得られる電流です。

並列セルの数は、セル電流をパラメータフィールドの対応する値で割ることによってモデル化されます。この手法では、並列構成内のすべてのセルのパラメータが等しいと仮定します。

セルの充電状態は、調整可能なクーロン効率係数を使用したクーロンカウント法を使用して計算されます。

{S お C}_{(t)} = \int \frac{私_{(t)} \cdot η_{(S お H, T)}}{{質問}_{(S お H, T)}} d t

どこ $質問$ 総容量パラメータ、 $私$ はセル電流であり、 $η$ はクーロン効率係数であり、セルが充電されている場合にのみ適用されます (それ以外の場合は値は 1 に設定されます)。

初期充電状態は、初期充電状態プロパティ内で設定できます。さらに、リアルタイムシミュレーションでは、バッテリーセルコンポーネント内のSCADA入力（ SOH_set）を変更することで、シミュレーション中に充電状態を上書きできます。

充電状態 (SOC) 変数は、実行時に -10% から 110% の範囲になります。0% 未満および 100% SOC を超える値の開回路電圧は、それぞれ最初の 2 つの OCV データポイントと最後の 2 つのデータポイントから直線的に外挿されます。

端子電圧（V_term in 図2) は 4 つの異なるコンポーネントで構成されています。

開放電圧（OCV）は、拡散プロセスが収束し、電流が流れず、ヒステリシス効果が無視されるときのセルの端子電圧を表します。これは常に充電状態の関数であり、オプションで温度の関数となります。
セルの内部抵抗による電圧降下。これは計算された内部バッテリーセル抵抗にセル電流（バランス調整後）を乗じた値に等しくなります。
化学拡散による電圧降下は、電池セルのイオン拡散の影響です。これは、可変数の並列抵抗・コンデンサ回路を直列に接続することでモデル化できます。これらの抵抗・コンデンサ回路の次数は理論的には無限大まで可能ですが、実際には3次程度までで十分な場合が多いです。電池セルの充電または放電中、コンデンサは分極するため、電流が電池に流れなくなると、放電に時間がかかります。
ヒステリシス効果電圧 最先端のバッテリーセルの挙動を再現するには、端子電圧のこれまでのすべての要素を組み合わせてバッテリーセル内の物理プロセスを正確にモデル化することが不可欠です。セルの端子電圧を測定すると、セル電流に対するセル電圧のヒステリシス挙動が観察されます。この挙動を記述するために使用できる解析方程式の一つは、 一つの州 以下に説明します。
${V_{h y s t e r e s 私 s}}_{(t)} = h_{(t)} - {M 0}_{(S お C, T)} \cdot {s 私グラム}_{(t)}$
どこ：
$\dot{h} (t) = |\frac{η_{(S お H, T)} \cdot 私_{(t)} \cdot γ_{(S お C, T)}}{{質問}_{(S お H, T)}}| \cdot h_{(t)} + |\frac{η_{(S お H, T)} \cdot 私_{(t)} \cdot γ_{(S お C, T)}}{{質問}_{(S お H, T)}}| \cdot M_{(S お C, T)}$ ,
M, M0, $γ$ ユーザーがカスタマイズできるパラメータであり、 $s 私グラム$ セル電流のサインです。

ポート

P（電気）
- DC + ポート。

N（電気）
- DC ポート。

T（信号処理）
- バランス回路がNoneの場合、 Tはセル温度のスカラー入力です。
- バランス回路がパッシブの場合、 Tは2次元（ベクトル化）信号入力です。ベクトルの最初の要素はセル温度であり、ベクトルの2番目の要素は図3に示すバランス回路のBL_SWポートを制御します。
- バランス回路が直流入力の場合、 Tは2次元（ベクトル化）信号入力です。ベクトルの最初の要素はセル温度であり、2番目の要素はバランス回路のI_balanceポートを制御します（図4を参照）。

基本パラメータ（タブ）

充電状態ベクトル
- このタブ内の他のパラメータに対応するルックアップテーブルへの入力となる配列のような要素です。充電状態ベクトル、温度ベクトル、および健康状態ベクトルのうち、開回路電圧ベクトルルックアップテーブルの少なくとも1つの次元がパラメータ化される唯一の必須フィールドです。
初期充電状態
- バッテリーセルコンポーネントの充電の開始状態をパーセンテージで設定します。
健康状態ベクトル
- 配列のような要素であり、このタブ内の他のパラメータに対応するルックアップテーブルへの入力です。ヘルス状態ベクトルは、このタブ内の他のパラメータに入力として多次元配列が含まれている場合にのみ評価されます。
温度ベクトル
- 配列のような要素であり、このタブ内の他のパラメータに対応するルックアップテーブルへの入力です。温度ベクトルは、このタブ内の他のパラメータが多次元配列を入力として持つ場合にのみ評価されます。バッテリーセルの温度は、このコンポーネントの左側にある信号処理入力から提供されます。
開回路電圧
- オプションの温度依存性を持つ充電状態ベクトルに対応するデータポイントを表す配列のような要素。
- モデルをコンパイルするには、充電状態ベクトルの長さが開回路電圧ベクトルの列数と等しくなければなりません。開回路電圧ベクトルパラメータに2次元配列のような要素が含まれている場合、行は温度ベクトルパラメータ内の値に対応している必要があります。その場合でも、列は充電状態ベクトルのデータポイントであり、同じ長さである必要があります。また、行数も充電状態ベクトルの長さと同じである必要があります。
- OCV の出力は、現在の充電状態 (および 2 次元アレイのような要素が提供されている場合は温度) に対応する提供されたポイント間の線形補間です。
内部抵抗
- 内部抵抗プロパティは、定数、1 次元配列のような要素、または 2 次元配列のような要素にすることができます。
- 2次元配列を指定する場合、温度ベクトルの長さは内部抵抗の列数と等しくなければなりません。また、行数は健康状態ベクトルの長さと同じでなければなりません。1次元配列を指定する場合、温度ベクトルパラメータの長さのみが内部抵抗の計算における唯一の依存関係となります。内部抵抗に単一の値を指定することもできます。その場合、依存関係は作成されず、抵抗は定数値となります。
クーロン効率
- クーロン効率プロパティは、定数、1 次元配列のような要素、または 2 次元配列のような要素になります。
- 2次元配列を指定する場合、温度ベクトルの長さはクーロン効率の列数と等しくなければなりません。また、健康状態ベクトルの長さと同じ行数も必要です。1次元配列を指定する場合、クーロン効率の計算は温度ベクトルパラメータの長さのみに依存します。クーロン効率に単一の値を指定することもできます。その場合、依存関係は作成されず、クーロン効率は定数値となります。
並列セル数
- バッテリーセル内で並列接続される同一セルの数を表す正の整数。
公称容量
- 「公称容量」コンボボックスでは、バッテリーセルの総容量を直接入力するか、利用可能な放電容量から計算することで、パラメータ設定できます。このコンボボックスでいずれかのオプションを選択すると、そのオプションに対応するパラメータが有効になり、もう一方のオプションに対応するパラメータが無効になります。
- 総容量と放電容量は、それぞれ定数、1 次元配列のような要素、または 2 次元配列のような要素にすることができます。総容量を例に挙げると、2 次元配列を指定する場合、温度ベクトルの長さは総容量の列数と等しくなければなりません。また、行数は健康状態ベクトルの長さと同じでなければなりません。代わりに 1 次元配列を指定する場合、温度ベクトルパラメータの長さが総容量を計算する際の唯一の依存関係になります。総容量に単一の値を指定することもできます。その場合、依存関係は作成されず、総容量は定数値になります。放電容量パラメータにも同じことが当てはまります。
放電容量
- 公称容量が放電容量に設定されている場合に使用できます。
- 放電容量とは、特定の定電流（放電率）で満充電されたバッテリーから、最小電圧（カットオフ電圧）に達する前に取り出せる容量です。計算は、ヒステリシス（有効な場合）、拡散電圧降下（有効な場合）、および内部抵抗電圧降下の影響を考慮して行われます。

最小/カットオフ電圧
- 公称容量が放電容量に設定されている場合に使用できます。
排出率
- 公称容量が放電容量に設定されている場合に使用できます。

総容量
- 公称容量が合計容量に設定されている場合に使用できます。
- 総容量とは、セルが完全に充電されたときに蓄えられるエネルギーの総量です。このエネルギーをすべて取り出すことは、有限の放電電流では不可能です（すべてを取り出すには無限の時間がかかります）。そのため、セル容量は通常、最大容量で表されませんが、充電状態（SOC）の計算には必須のパラメータです。
実行率
- 以前の状態と現在の入力に基づいてセル端子電圧を計算するための信号処理時間ステップ。

拡散プロセス（タブ）

モデルの順序
- モデル次数は、最大3つの並列接続された抵抗・コンデンサ回路を有効または無効にするコンボボックスです。抵抗とコンデンサは、それぞれのプロパティが有効になっている場合にのみモデル化されます。モデル次数が「なし」以外の場合、拡散パラメータの温度ベクトルと拡散パラメータのヘルスベクトルのプロパティが有効になり、抵抗とコンデンサのパラメータフィールドに応じて、2次元または1次元のルックアップテーブルの配列のようなデータを表します。
抵抗器1
- モデルの順序が「なし」と異なる場合に使用できます。
- 最初のRC回路の抵抗値（オーム単位）を表します。定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかになります。
コンデンサ1
- モデルの順序が「なし」と異なる場合に使用できます。
- 最初のRC回路のコンデンサ値をファラッド単位で表します。入力値は定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかです。

抵抗器2
- モデル順序が2 または 3 に設定されている場合に使用できます。
- 2番目のRC回路の抵抗値（オーム単位）を表します。定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかになります。
コンデンサ2
- モデル順序が2 または 3 に設定されている場合に使用できます。
- 2番目のRC回路のコンデンサ値をファラッド単位で表します。入力値は定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかです。

抵抗器3
- モデル順序が3 に設定されている場合に使用できます。
- 3番目のRC回路の抵抗値（オーム単位）を表します。定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかになります。
コンデンサ3
- モデル順序が3 に設定されている場合に使用できます。
- 3番目のRC回路のコンデンサ値をファラッド単位で表します。入力値は定数、1次元配列（リスト）、または2次元配列（ネストされたリスト）のいずれかです。

拡散パラメータの温度ベクトル
- モデルの順序が「なし」と異なる場合に使用可能
- 抵抗器とコンデンサのパラメータフィールドに応じて、2 次元または 1 次元のルックアップテーブル用の配列のようなデータ。

拡散パラメータの健康状態ベクトル
- モデルの順序が「なし」と異なる場合に使用可能
- 抵抗器とコンデンサのパラメータフィールドに応じて、2 次元または 1 次元のルックアップテーブル用の配列のようなデータ。

これらの抵抗器とコンデンサのパラメータはそれぞれ、定数、1 次元配列のような要素、または 2 次元配列のような要素にすることができます。 Resistor 1 を例に挙げると、2 次元配列が指定されている場合、拡散パラメータの温度ベクトルの長さはResistor 1の列数と等しく、拡散パラメータの状態ベクトルの長さと同じ行数である必要があります。代わりに 1 次元配列が提供される場合、拡散パラメータの温度ベクトルの長さは、 Resistor 1 を計算するための唯一の依存関係になります。 Resistor 1に単一の値を指定することもできます。その場合、依存関係は作成されず、定数値として計算されます。拡散電圧の他のすべてのパラメータにも同じことが当てはまります。

電圧ヒステリシス（タブ）

ヒステリシスモデル
- ヒステリシスモデルプロパティでは、ヒステリシス効果の実装を選択できます。現在、実装は「なし」と「1つの状態」の2つのみ選択できます。
- ヒステリシスモデルプロパティで[なし]を選択した場合、ヒステリシスからの電圧は常にゼロに設定されます。

ヒステリシスパラメータの温度ベクトル
- ヒステリシスモデルが1 つの状態に設定されている場合に使用できます。
- M パラメータ、 M0 パラメータ、およびガンマパラメータフィールドに応じて、2 次元または 1 次元のルックアップテーブルの配列のようなデータを表します。

ヒステリシスパラメータの充電状態ベクトル
- ヒステリシスモデルが1 つの状態に設定されている場合に使用できます。
- M パラメータ、 M0 パラメータ、およびガンマパラメータフィールドに応じて、2 次元または 1 次元のルックアップテーブルの配列のようなデータを表します。

M0パラメータ、Mパラメータ、ガンマパラメータ
- ヒステリシスモデルが1 つの状態に設定されている場合に使用できます。
- これらの各パラメータは、定数、1 次元配列のような要素、または 2 次元配列のような要素にすることができます。 M パラメータを例に挙げると、2 次元配列が指定されている場合、ヒステリシスパラメータの温度ベクトルの長さは、 M パラメータの列数と等しくなければならず、ヒステリシスパラメータの充電状態ベクトルの長さと同じ行数が必要です。代わりに 1 次元配列が提供される場合、ヒステリシスパラメータの温度ベクトルの長さが、 M パラメータを計算するための唯一の依存関係になります。 M パラメータに単一の値を指定することもできます。その場合、依存関係は作成されず、定数値として計算されます。同じことがM0 パラメータとガンマパラメータにも当てはまります。

バランス回路（タブ）

バランス回路
- その バランス回路 コンボボックスでは、次の 3 つのバランス回路のいずれかを選択できます。
  1. なし: バランス回路は導入されず、セル電流は合計端子電流になります。
  2. パッシブバランシング: バッテリーセルコンポーネントの信号処理入力に新しい信号処理入力が追加され、2次元（ベクトル化）信号入力になります。この入力の最初のコンポーネントは温度信号のままですが、2番目の入力は温度を制御します。 BL_SW 平衡回路のポート。この2番目の入力の値が0.5より大きい場合、図に示す理想的なスイッチは図3 が閉じている場合、バッテリーセルの状態と出力を計算するために使用されるセル電流は、端子入力電流とバランス抵抗を流れる電流の差の残りです。バランス抵抗の値はプロパティで提供されます。 バランス並列抵抗器.
    図3パッシブバランス調整を有効にしたバッテリーセルモデル
  3. 直接入力バランス: このオプションは、バッテリーセルコンポーネントの信号処理入力を2次元ベクトル入力に変更します。2番目の入力信号は入力ポートにルーティングされます。 I_バランス バランス回路の図4. I_バランス バランス電流の値をアンペアで表します。この場合、バッテリーセルの状態と出力を計算するために使用されるセル電流は、端子入力電流と入力バランス電流の差の残りです。
    図4直接入力バランスを有効にしたバッテリーセルモデル

バランス並列抵抗器
- バランス回路がパッシブに設定されている場合に使用可能
- パッシブバランス回路が有効な場合に使用されるバランス抵抗器の抵抗値

熱モデル（タブ）

バッテリーセルの熱モデル
- バッテリーセルの熱モデルチェックボックスは、バッテリーセルの熱モデルを有効/無効にします。熱モデルを有効にすると、入力温度はセル温度ではなくなり、代わりにCauer熱モデルに従って等価熱抵抗と静電容量でモデル化された熱ネットワークコンポーネントへの周囲温度入力になります。熱ネットワークへの電力入力は、内部抵抗による抵抗損失と拡散モデリングによる抵抗から得られます。並列セル数で複数の並列バッテリーセルが指定されている場合、並列セルすべての抵抗損失が結合され、単一の熱モデルの電力損失として注入されます。その出力は並列セルすべての温度です。
熱抵抗
- バッテリーセル熱モデルが有効な場合に使用できます。
- 熱抵抗は、値のリストまたは単一の値のいずれかで指定する必要があります。要素数は、熱容量パラメータと同じである必要があります。
熱容量
- バッテリーセル熱モデルが有効な場合に使用できます。
- 熱容量は値のリストまたは単一の値のいずれかでなければなりません。要素数は熱抵抗パラメータと同じである必要があります。
初期セル温度
- バッテリーセル熱モデルが有効な場合に使用できます。
- 初期セル温度は、熱ネットワークの初期温度を摂氏で定義します。

測定値（タブ）

健康状態
- このコンポーネント内のSOHという名前のプローブを通じて、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
充電状態
- このコンポーネント内のSOCという名前のプローブを介してバッテリーセルの充電状態の監視を有効/無効にします。
開回路電圧
- このコンポーネント内のOCVという名前のプローブを介して、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
内部抵抗
- このコンポーネント内の「内部抵抗」という名前のプローブを介して、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
総容量
- このコンポーネント内のTotal capacityという名前のプローブを通じて、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
バランス電流
- このコンポーネント内の「Balancing current」という名前のプローブを通じて、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
セル電流
- このコンポーネント内の「セル電流」という名前のプローブを通じて、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
温度
- このコンポーネント内のTemperatureという名前のプローブを通じて、バッテリーセルの健全性の監視を有効/無効にします。
ヒステリシス電圧
- このコンポーネント内のヒステリシス電圧という名前のプローブを介して、バッテリーセルの健全性の状態の監視を有効/無効にします。
拡散電圧
- このコンポーネント内の「拡散電圧」という名前のプローブを介して、バッテリーセルの拡散電圧降下の監視を有効/無効にします。

注:バッテリーセルコンポーネントの端子電流と電圧の測定は自動的に有効になり、このコンポーネント内のItおよびセル電圧という名前のプローブを選択することで監視できます。

注:バッテリーセルコンポーネントは信号処理コンポーネントを使用します。オプションのプロパティを無効にし、定数または1次元データをパラメータとして指定すると、信号処理の計算負荷が軽減されます。