Как оценить состояние заряда?
Оценка SOC
Состояние заряда (SOC) аккумулятора является одним из наиболее важных параметров во время использования аккумулятора. Поскольку на SOC влияют такие факторы, как скорость заряда/разряда (ток), температура, саморазряд-и старение, батареи демонстрируют высокую нелинейность во время использования, что затрудняет точную оценку SOC.
Методы оценки SOC
Обычно используетсяМетоды оценки SOCвключают метод эксперимента с разрядом, метод интегрирования ампер-часов, метод напряжения холостого хода, метод напряжения нагрузки, метод внутреннего сопротивления, метод нейронной сети и метод фильтрации Калмана.
1) Метод разрядного эксперимента. Метод эксперимента по разряду является наиболее надежным методом оценки SOC. Он использует постоянный ток для непрерывного разряда, а произведение тока разряда и времени составляет оставшийся заряд. Метод разрядного эксперимента часто применяется в лабораториях и применим ко всем батареям, но имеет два существенных недостатка: во-первых, требует больших затрат времени; во-вторых, работу аккумулятора необходимо прервать. Метод разрядного эксперимента не подходит для электромобилей в движении, но может быть использован для обслуживания аккумуляторов электромобилей.
2)Метод интегрирования в ампер-часах. Метод интегрирования в ампер-часах является наиболее часто используемым методом оценки SOC. Однако этот метод имеет следующие проблемы: неточнаяизмерение токаприводит к отклонению расчета SOC, а ошибки со временем накапливаются и становятся больше; Необходимо учитывать эффективность заряда-разряда аккумулятора; ошибки увеличиваются в условиях высоких-температур или при резких колебаниях заряда батареи. Проблема неточного измерения тока может быть решена с помощью высокопроизводительных-датчиков тока, но стоимость возрастает; Решение проблемы эффективности заряда-разряда требует изучения большого количества экспериментальных данных и установления эмпирических формул для определения эффективности заряда-разряда. Метод интегрирования ампер-часов можно использовать для всех аккумуляторов электромобилей. Если текущее измерение является точным и имеется достаточно данных для начального состояния оценки, это может быть простой и надежный метод оценки SOC.
3)Метод напряжения разомкнутой-цепи. Напряжение разомкнутой цепи- батареи в конце разряда близко к электродвижущей силе батареи. Электродвижущая сила кобальтовой-кислотной батареи является функцией концентрации электролита, которая уменьшается пропорционально разряду батареи, поэтому напряжение разомкнутой-цепи можно использовать для оценки SOC. Линейность зависимости напряжения разомкнутой цепи-от SOC для MH/Ni- и литий--ионных батарей не так хороша, как у кобальтовых-кислотных батарей, но их соответствующую зависимость все же можно использовать для оценки SOC, особенно с лучшими результатами в начале и в конце зарядки. Существенным недостатком метода определения напряжения холостого хода является то, что для стабилизации напряжения аккумулятору необходимо длительное время отдыхать, а для восстановления состояния аккумулятора от рабочего до стабилизации требуется несколько часов, а то и более десяти часов, что вызывает определенные трудности при измерении; определение продолжительности отдыха также является проблемой, поэтому этот метод при использовании отдельно подходит только для электромобилей в припаркованном состоянии. Метод напряжения разомкнутой цепи дает хорошие результаты оценки SOC в начале и в конце зарядки и часто используется в сочетании с методом интегрирования ампер-часов.
4) Метод напряжения нагрузки. В момент начала разряда напряжение быстро меняется от состояния разомкнутой цепи до состояния напряжения нагрузки. Когда ток нагрузки батареи остается постоянным, характер изменения напряжения нагрузки при SOC аналогичен изменению напряжения разомкнутой цепи при SOC. Преимущество метода напряжения нагрузки состоит в том, что он позволяет оценить уровень заряда аккумуляторной батареи в режиме реального времени и дает хорошие результаты при разряде при постоянном-токе. В практических приложениях напряжение батареи драйвера затрудняет использование напряжения нагрузки. Для решения этой проблемы необходима математическая модель данных о напряжении батареи, независимом напряжении динамической нагрузки и SOC; поэтому метод напряжения нагрузки редко применяется к реальным транспортным средствам, но часто используется в качестве критерия ограничения заряда-разряда аккумулятора.
5) Метод внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление батареи делится на внутреннее сопротивление переменного тока и внутреннее сопротивление постоянного тока, оба из которых тесно связаны с SOC (состоянием заряда). Сопротивление батареи переменному току представляет собой передаточную функцию между напряжением батареи и током, комплексную переменную, представляющую сопротивление батареи переменному току, и измеряется с помощью измерителя импеданса переменного тока. Сопротивление аккумулятора переменному току сильно зависит от температуры; вопрос о том, следует ли измерять его в состоянии разомкнутой-цепи после того, как батарея стабилизировалась, или во время зарядки и разрядки, является спорным и редко используется в реальных транспортных средствах. Внутреннее сопротивление постоянного тока представляет собой сопротивление батареи постоянному току, равное отношению изменения напряжения батареи к изменению тока за очень короткий период времени. При реальных измерениях батарея заряжается или разряжается постоянным током, начиная с состояния разомкнутой-цепи; разница между напряжением нагрузки и напряжением разомкнутой-цепи за тот же период времени, деленная на значение тока, представляет собой внутреннее сопротивление постоянного тока. Для свинцово-кислотных аккумуляторов внутреннее сопротивление постоянному току значительно увеличивается на более поздних стадиях разряда и может использоваться для оценки уровня заряда батареи; Изменение внутреннего сопротивления постоянному току MH/Ni- и литий-ионных аккумуляторов отличается от изменения внутреннего сопротивления свинцово-кислотных аккумуляторов и используется реже. На величину внутреннего сопротивления постоянного тока влияет период времени расчета. Если период времени короче 10 мс, можно обнаружить только омическое внутреннее сопротивление; если период времени больше, внутреннее сопротивление становится более сложным. Точно измерить внутреннее сопротивление отдельного элемента сложно, что является недостатком метода внутреннего сопротивления постоянному току. Метод внутреннего сопротивления подходит для оценки состояния заряда (SOC) аккумулятора на поздних стадиях разряда и может использоваться в сочетании с методом интегрирования ампер-часов.
6)Метод нейронной сети. Аккумуляторная батарея представляет собой весьма нелинейную систему, и сложно создать точную математическую модель процесса ее зарядки-разрядки. Нейронные сети обладают фундаментальными нелинейными характеристиками, параллельной структурой и способностью к обучению. Они могут генерировать соответствующие выходные данные для внешних возбуждений и, таким образом, моделировать динамические характеристики батареи для оценки SOC. Типичная трехслойная нейронная сеть обычно используется для оценки SOC батареи: количество нейронов во входном и выходном слоях определяется фактическими требованиями задачи и обычно является линейной функцией; количество нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и требуемой точности анализа. Обычно используемые входные переменные для оценки SOC батареи включают напряжение, ток, накопленную разряженную емкость, температуру, внутреннее сопротивление и температуру окружающей среды. Правильный выбор входных переменных нейронной сети и правильность количества переменных напрямую влияют на точность модели и вычислительную нагрузку. Метод нейронной сети применим к различным батареям, но его недостатком является то, что он требует большого количества справочных данных для обучения, а на ошибку оценки сильно влияют обучающие данные и метод обучения.
7)Метод фильтра Калмана. Основная идея теории фильтров Калмана состоит в том, чтобы получить оптимальную оценку состояния динамической системы в смысле минимальной дисперсии. Применительно к оценке SOC батареи батарея рассматривается как динамическая система, а SOC — это одно из ее внутренних состояний. Исследования метода фильтра Калмана для оценки SOC аккумуляторов начались только в последние годы. Этот метод подходит для различных аккумуляторов и, по сравнению с другими методами, особенно подходит для оценки SOC аккумуляторных блоков электромобилей с большими колебаниями тока. Он не только дает оценку SOC, но также дает ошибку оценки SOC. Однако недостатком этого метода является то, что алгоритм слишком сложен и требует высоких вычислительных возможностей системы, поэтому он еще не вышел на практическую стадию.
В результате углубленного-исследования различных методов оценки SOC в качестве основы изначально был выбран метод интегрирования в ампер-часах. За счет точного измерения тока аккумулятора в сочетании с методом измерения напряжения разомкнутой цепи-и учетом таких факторов, как эффективность заряда-разряда аккумулятора, температура, старение и саморазряд-, достигается динамическое управление аккумулятором электромобилей. В чисто электрических транспортных средствах аккумуляторная батарея в основном работает в состоянии полной-зарядки и полной-разрядки, причем большая часть процесса зарядки представляет собой зарядку постоянным-током. После завершения зарядки существует относительно стабильная точка определения начального значения (когда зарядка завершена, SOC составляет 100% или слегка перезаряжен). Если эффективность заряда-разряда аккумуляторной батареи очень высока (более 95%), эффективность зарядки-разряда может быть приближена к 1 или равна определенному постоянному значению. Используя этот метод расчета SOC, можно добиться относительно хороших результатов. Накопленная ошибка каждого цикла зарядки-разрядки в основном устраняется после завершения следующей зарядки вместе с повторной калибровкой исходного значения SOC.
Выполняя высокоточные-измерения напряжения, тока и температуры аккумулятора, чтобы гарантировать точность входных данных для оценки SOC; путем создания эффективной модели батареи посредством теоретического анализа и подбора экспериментальных данных; корректируя SOC в конце зарядки и разрядки для устранения накопленных ошибок SOC; а за счет учета факторов эффективности заряда-разряда батареи, температуры, старения и эффектов саморазряда достигается высокая-точная оценка SOC системы. Алгоритм оценки состояния--заряда аккумулятора показан на рис. 17-12.
(1) Метод расчета начального значения SOCНачальное значение SOC получается путем умножения SOC, сохраненного при-выключении питания, и SOC, полученного из таблицы поиска температуры-OCV-SOC, на коэффициент, связанный со временем автономной работы системы. Начальное значение SOC необходимо считывать каждый раз при включении системы.
(2) Расчет значения SOC отдельной ячейки и коррекция значения SOC отдельной ячейки на основе значения SOHЕмкость аккумулятора определяется путем поиска в таблице с использованием температуры и зарядного тока, а емкость аккумулятора корректируется путем поиска в таблице с использованием SOH. Ток интегрируется с использованием метода ампер-часов, а затем делится на емкость для получения значения изменения SOC. Значение изменения SOC добавляется к исходному значению для получения значения SOC отдельной ячейки.
(3) Расчет аккумуляторной батареи SOCЕсли система снова включается, считанное начальное значение SOC принимается за SOC аккумуляторного блока; в состоянии разрядки SOC аккумуляторной батареи считывает минимальное значение среди SOC отдельных ячеек; если зарядка находится в состоянии зарядки и зарядка не завершена, аккумуляторный блок SOC считывает максимальное значение SOC модуля; если он находится в состоянии зарядки и зарядка завершена, SOC аккумуляторного блока устанавливается на 1.
(4)Метод коррекции SOC отдельных ячеек в конце зарядки/разрядкиЕсли система находится в состоянии зарядки и SOC аккумуляторной батареи превышает 0,8, система считается находящейся в конце зарядки; если система находится в состоянии разрядки и SOC аккумуляторной батареи меньше 0,3, система считается находящейся в конце разрядки. Если система находится в конце зарядки/разрядки, необходимо исправить SOC. Метод расчета SOC в конце заряда/разряда заключается в получении значения SOC путем поиска в таблице значений температуры, тока заряда/разряда и напряжения.
