Hur uppskattar man laddningsläget?
SOC-uppskattning
Laddningsläget (SOC) för ett batteri är en av de viktigaste parametrarna under batterianvändning. Eftersom SOC påverkas av faktorer som laddnings-/urladdningshastighet (ström), temperatur, själv-urladdning och åldrande, uppvisar batterier hög olinjäritet under användning, vilket gör det svårt att göra exakta SOC-uppskattningar.
SOC-uppskattningsmetoder
Används oftaSOC-uppskattningsmetoderinkludera urladdningsexperimentmetoden, ampere-timmeintegreringsmetod, öppen-kretsspänningsmetod, belastningsspänningsmetod, internresistansmetod, neurala nätverksmetod och Kalman-filtreringsmetod.
1) Urladdningsexperimentmetod. Utsläppsexperimentmetoden är den mest tillförlitliga SOC-uppskattningsmetoden. Den använder en konstant ström för kontinuerlig urladdning, och produkten av urladdningsströmmen och tiden är den återstående laddningen. Urladdningsexperimentmetoden används ofta i laboratorier och är tillämplig på alla batterier, men den har två betydande nackdelar: för det första kräver den mycket tid; för det andra måste batteriets drift avbrytas. Urladdningsexperimentmetoden är inte lämplig för elfordon i rörelse, men den kan användas för underhåll av elfordonsbatterier.
2)Ampere-integreringsmetod. Integreringsmetoden ampere-timme är den vanligaste metoden för SOC-uppskattning. Den här metoden har dock följande problem: inexaktströmmätningleder till SOC-beräkningsavvikelse, och fel ackumuleras med tiden och blir större; laddning-urladdningseffektiviteten för batteriet måste beaktas; felen är större under-höga temperaturer eller när batteriet fluktuerar kraftigt. Felaktig strömmätning kan lösas genom att använda högpresterande strömsensorer, men kostnaden ökar; att lösa laddnings-urladdningseffektivitet kräver att man behärskar en stor mängd experimentella data och upprättar empiriska formler för laddnings-urladdningseffektivitet. Integreringsmetoden ampere-timmar kan användas för alla elfordonsbatterier. Om den aktuella mätningen är korrekt och det finns tillräckligt med data för det initiala uppskattningsläget kan det vara en enkel och pålitlig SOC-uppskattningsmetod.
3)Öppen-kretsspänningsmetod. Den öppna-kretsspänningen för ett batteri vid slutet av urladdningen är nära batteriets elektromotoriska kraft. Den elektromotoriska kraften hos ett kobolt-syrabatteri är en funktion av elektrolytkoncentrationen, som minskar proportionellt med batteriurladdningen, så den öppna-kretsspänningen kan användas för att uppskatta SOC. Linjäriteten hos den öppna-kretsspänningen kontra SOC-förhållandet för MH/Ni-batterier och litium-jonbatterier är inte lika bra som för kobolt-syrabatterier, men deras motsvarande förhållande kan fortfarande användas för att uppskatta SOC, särskilt med bättre resultat i början och slutet av laddningen. En betydande nackdel med öppen kretsspänningsmetoden är att batteriet behöver vila under lång tid för att stabilisera spänningen, och det tar flera timmar eller till och med mer än tio timmar för batteritillståndet att återhämta sig från drift till stabilitet, vilket orsakar vissa svårigheter vid mätningen; Att bestämma hur länge man ska vila är också ett problem, så denna metod när den används ensam är endast lämplig för elfordon i parkerat tillstånd. Den öppna-spänningsmetoden har bra SOC-uppskattningsprestanda i början och slutet av laddningen och används ofta i kombination med ampere-tim-integreringsmetoden.
4) Lastspänningsmetod. När den omedelbara urladdningen börjar ändras spänningen snabbt från det öppna-spänningstillståndet till belastningsspänningstillståndet. När batteribelastningsströmmen förblir konstant, liknar mönstret för belastningsspänningsvariation med SOC det för öppen-kretsspänning med SOC. Fördelen med belastningsspänningsmetoden är att den kan uppskatta SOC för batteripaketet i realtid och har goda resultat under konstant-strömurladdning. I praktiska tillämpningar medför förarens batterispänning svårigheter vid användningen av lastspänning. För att lösa detta problem behövs en matematisk modell av batterispänningsdata, oberoende dynamisk lastspänning och SOC; därför tillämpas belastningsspänningsmetoden sällan på riktiga fordon utan används ofta som ett kriterium för batteriladdnings-urladdningsavbrott.
5) Metod för intern motstånd. Batteriets interna resistans är uppdelad i AC intern resistans och DC intern resistans, som båda är nära relaterade till SOC (State of Charge). Batteriets växelströmsimpedans är en överföringsfunktion mellan batterispänning och ström, en komplex variabel som representerar batteriets resistans mot växelström, och mäts med en växelströmsimpedansmätare. Batteriets AC-impedans påverkas kraftigt av temperaturen; om det ska mätas i ett öppet-tillstånd efter att batteriet har satt sig eller under laddning och urladdning är kontroversiellt och används sällan i verkliga fordon. Inre likströmsresistans representerar batteriets resistans mot likström, lika med förhållandet mellan ändringen i batterispänning och strömändringen under en mycket kort tidsperiod. Vid faktisk mätning laddas eller urladdas batteriet med en konstant ström från ett öppet-tillstånd; skillnaden mellan belastningsspänningen och den öppna-kretsspänningen under samma tidsperiod, dividerat med strömvärdet, är det interna DC-motståndet. För blybatterier ökar det interna likströmsmotståndet avsevärt i de senare stadierna av urladdning och kan användas för att uppskatta batteriets SOC; variationen i DC interna resistans för MH/Ni-batterier och litium-jonbatterier skiljer sig från den för bly-syrabatterier och är mindre vanligt förekommande. Storleken på det interna DC-motståndet påverkas av beräkningsperioden. Om tidsperioden är kortare än 10ms kan endast den ohmska interna resistansen detekteras; om tidsperioden är längre blir det inre motståndet mer komplext. Att noggrant mäta det interna resistansen i en enskild cell är svårt, vilket är en nackdel med metoden med DC internt motstånd. Metoden för inre motstånd är lämplig för att uppskatta laddningstillståndet (SOC) för ett batteri i de senare stadierna av urladdning och kan användas i kombination med ampere-tim-integreringsmetoden.
6) Neural nätverksmetod. Ett batteri är ett mycket olinjärt system och det är svårt att upprätta en exakt matematisk modell för dess laddnings-urladdningsprocess. Neurala nätverk har grundläggande olinjära egenskaper, parallell struktur och inlärningsförmåga. De kan producera motsvarande utsignaler för externa excitationer och därmed simulera batteridynamiska egenskaper för att uppskatta SOC. Ett typiskt 3-lagers neuralt nätverk används vanligtvis för att uppskatta batteri SOC: antalet neuroner i ingångs- och utgångsskikten bestäms av de faktiska problemkraven och är i allmänhet en linjär funktion; antalet neuroner i det dolda lagret beror på problemets komplexitet och den nödvändiga analysnoggrannheten. Vanligt använda indatavariabler för att uppskatta batteriets SOC inkluderar spänning, ström, ackumulerad urladdad kapacitet, temperatur, intern resistans och omgivningstemperatur. Huruvida valet av indatavariabler för neurala nätverk är lämpligt och huruvida antalet variabler är korrekt påverkar direkt modellens noggrannhet och beräkningsbelastningen. Den neurala nätverksmetoden är tillämpbar på olika batterier, men dess nackdel är att den kräver en stor mängd referensdata för träning, och uppskattningsfelet påverkas kraftigt av träningsdata och träningsmetoden.
7) Kalman filtermetod. Kärnidén med Kalman filterteorin är att göra den optimala uppskattningen av tillståndet för ett dynamiskt system i betydelsen minimal varians. När det tillämpas på batteri-SOC-uppskattning betraktas batteriet som ett dynamiskt system och SOC är ett av dess interna tillstånd. Forskning om Kalman-filtermetoden för att uppskatta batteri-SOC har börjat först på senare år. Denna metod är lämplig för olika batterier och är, jämfört med andra metoder, särskilt lämplig för SOC-uppskattning av elfordonsbatterier med stora strömfluktuationer. Det ger inte bara SOC-uppskattningen utan ger också uppskattningsfelet för SOC. Nackdelen med denna metod är dock att algoritmen är alltför komplex och kräver hög beräkningsförmåga hos systemet, så det har ännu inte kommit in i det praktiska stadiet.
Genom-djupgående forskning om olika SOC-uppskattningsmetoder valdes inledningsvis integrationsmetoden för ampere-timme som bas. Genom att noggrant mäta batteriströmmen, kombinerat med den öppna-kretsspänningsmetoden och ta hänsyn till faktorer som batteriladdnings-urladdningseffektivitet, temperatur, åldrande och själv-urladdning, uppnås dynamisk hantering av kraftbatteriet i rena elfordon. För rena elfordon fungerar batteripaketet i princip i full-laddning och full-urladdningstillstånd, där det mesta av laddningsprocessen är konstant-strömladdning. Efter att laddningen är klar finns det en relativt stabil startpunkt för bestämning av värdet (när laddningen är klar är SOC 100 % eller något överladdat). Om laddnings{13}}urladdningseffektiviteten för batteripaketet är mycket hög (över 95 %), kan laddnings{15}}urladdningseffektiviteten uppskattas till 1 eller lika med ett visst konstant värde. Genom att använda denna metod för att beräkna SOC kan man uppnå relativt goda resultat. Det ackumulerade felet för varje laddnings-urladdningscykel elimineras i princip när nästa laddning är klar tillsammans med omkalibreringen av det initiala SOC-värdet.
Genom att utföra hög-precisionsmätningar av batterispänning, ström och temperaturinformation för att säkerställa noggrannheten hos SOC-uppskattningar; genom att etablera en effektiv batterimodell genom teoretisk analys och anpassning av experimentella data; genom att korrigera SOC vid slutet av laddning och urladdning för att eliminera ackumulerade SOC-fel; och genom att ta hänsyn till batteriladdnings-urladdningseffektivitetsfaktorer, temperatur, åldrande och själv-urladdningseffekter uppnås en hög-precisionsuppskattning av systemets SOC. Algoritmen för uppskattning av batteritillstånd-för-laddning visas i figur 17-12.
(1) SOC initialt värde beräkningsmetodSOC-startvärdet erhålls genom att multiplicera den SOC som lagras vid strömavstängning- och SOC som erhålls från temperatur-OCV-SOC-uppslagstabellen med en koefficient som är relaterad till systemets offlinetid. SOC-startvärdet måste läsas av varje gång systemet slås på.
(2) Beräkning av individuell cell SOC värde och korrigering av individuell cell SOC värde baserat på SOH värdeBatterikapaciteten erhålls genom att slå upp tabellen med hjälp av temperatur och laddningsström, och batterikapaciteten korrigeras genom att slå upp tabellen med hjälp av SOH. Strömmen integreras med ampere-timmetoden och divideras sedan med kapaciteten för att erhålla SOC-ändringsvärdet. SOC-ändringsvärdet läggs till det initiala värdet för att erhålla det individuella cellens SOC-värde.
(3) Beräkning av batteripaket SOCOm systemet slås på igen, tas det lästa SOC-startvärdet som batteripaketets SOC; om i urladdningstillstånd läser batteripaketets SOC minimivärdet bland de individuella cell-SOC:erna; om i laddningstillstånd och laddningen inte är klar, läser batteripaketets SOC det maximala SOC-värdet för modulen; om i laddningstillstånd och laddningen är klar är batteripaketets SOC satt till 1.
(4)Individuell cell SOC-korrigeringsmetod vid slutet av laddning/urladdningOm systemet är i laddningstillstånd och batteripaketets SOC är större än 0,8, definieras systemet som i slutet av laddningen; om systemet är i urladdningstillstånd och batteripaketets SOC är mindre än 0,3, definieras systemet som i slutet av urladdningen. Om systemet är i slutet av laddning/urladdning måste SOC korrigeras. SOC-beräkningsmetoden vid slutet av laddning/urladdning är att erhålla SOC-värdet genom att slå upp tabellen med temperatur, laddnings-/urladdningsström och spänning.
