Hvordan estimerer man ladetilstanden?
SOC estimering
Et batteris ladetilstand (SOC) er en af de vigtigste parametre under batteribrug. Fordi SOC er påvirket af faktorer såsom opladning/afladningshastighed (strøm), temperatur, selv-afladning og ældning, udviser batterier høj ikke-linearitet under brug, hvilket gør nøjagtig SOC-estimering vanskelig.
SOC estimeringsmetoder
Almindelig brugtSOC estimeringsmetoderinkludere afladningseksperimentmetoden, ampere-timers integrationsmetode, åben-spændingsmetode, belastningsspændingsmetode, intern modstandsmetode, neural netværksmetode og Kalman-filtreringsmetode.
1) Udledningsforsøgsmetode. Udledningsforsøgsmetoden er den mest pålidelige SOC-estimeringsmetode. Den bruger en konstant strøm til kontinuerlig afladning, og produktet af afladningsstrømmen og tiden er den resterende ladning. Afladningseksperimentmetoden bruges ofte i laboratorier og er anvendelig til alle batterier, men den har to væsentlige ulemper: For det første kræver den meget tid; for det andet skal batteriets drift afbrydes. Afladningseksperimentmetoden er ikke egnet til elektriske køretøjer i bevægelse, men den kan bruges til vedligeholdelse af elektriske køretøjers batterier.
2)Ampere-timers integrationsmetode. Ampere-time-integrationsmetoden er den mest almindeligt anvendte SOC-estimeringsmetode. Denne metode har dog følgende problemer: unøjagtig strømmåling fører til SOC-beregningsafvigelse, og fejl akkumuleres over tid og bliver større; opladning-afladningseffektiviteten af batteriet skal tages i betragtning; fejl er større under høje-temperaturforhold, eller når batteriet svinger voldsomt. Upræcis strømmåling kan løses ved at bruge-højtydende strømsensorer, men omkostningerne stiger; løsning af ladnings-udledningseffektivitet kræver, at man behersker en stor mængde eksperimentelle data og etablerer empiriske formler for{10}ladningseffektivitet. Integrationsmetoden for ampere-timer kan bruges til alle batterier til elektriske køretøjer. Hvis den aktuelle måling er nøjagtig, og der er tilstrækkelige data til den indledende estimeringstilstand, kan det være en enkel og pålidelig SOC-estimeringsmetode.
3) Åben-kredsløbsspændingsmetode. Et batteris åbne-kredsløbsspænding ved slutningen af afladningen er tæt på batteriets elektromotoriske kraft. Den elektromotoriske kraft af et kobolt-syrebatteri er en funktion af elektrolytkoncentrationen, som falder proportionalt med batteriafladning, så den åbne-kredsløbsspænding kan bruges til at estimere SOC. Lineariteten af åben-kredsløbsspændingen versus SOC-forholdet for MH/Ni-batterier og lithium-ion-batterier er ikke så god som for kobolt-syrebatterier, men deres tilsvarende forhold kan stadig bruges til at estimere SOC, især med bedre resultater i begyndelsen og slutningen af opladningen. En væsentlig ulempe ved åben-kredsløbsspændingsmetoden er, at batteriet skal hvile i lang tid for at stabilisere spændingen, og det tager flere timer eller endda mere end ti timer for batteritilstanden at komme sig fra drift til stabilitet, hvilket forårsager visse vanskeligheder ved måling; Det er også et problem at bestemme, hvor længe der skal hvile, så denne metode, når den bruges alene, er kun egnet til elektriske køretøjer i parkeret tilstand. Metoden med åbent-kredsløbsspænding har en god SOC-estimeret ydeevne ved begyndelsen og slutningen af opladningen og bruges ofte i kombination med ampere-time-integrationsmetoden.
4) Belastningsspændingsmetode. Når den øjeblikkelige afladning begynder, skifter spændingen hurtigt fra åben-kredsløbsspændingstilstand til belastningsspændingstilstand. Når batteribelastningsstrømmen forbliver konstant, svarer mønsteret for belastningsspændingsvariation med SOC til mønsteret for åben-kredsløbsspænding med SOC. Fordelen ved belastningsspændingsmetoden er, at den kan estimere batteripakkens SOC i realtid og har gode resultater under konstant-strømafladning. I praktiske applikationer giver førerens batterispænding vanskeligheder ved brugen af belastningsspænding. For at løse dette problem er der behov for en matematisk model af batterispændingsdata, uafhængig dynamisk belastningsspænding og SOC; derfor anvendes belastningsspændingsmetoden sjældent på rigtige køretøjer, men bruges ofte som et kriterium for batteriladning-afladningsafskæring.
5) Intern modstandsmetode. Batteri intern modstand er opdelt i AC intern modstand og DC intern modstand, som begge er tæt forbundet med SOC (State of Charge). Batteriets vekselstrømsimpedans er en overførselsfunktion mellem batterispænding og strøm, en kompleks variabel, der repræsenterer batteriets modstand mod vekselstrøm, og måles ved hjælp af en vekselstrømsimpedansmåler. Batteriets AC-impedans er stærkt påvirket af temperaturen; om det skal måles i en åben-kredsløbstilstand, efter at batteriet har sat sig, eller under opladning og afladning, er kontroversielt og bruges sjældent i egentlige køretøjer. DC intern modstand repræsenterer batteriets modstand mod jævnstrøm, svarende til forholdet mellem ændringen i batterispænding og ændringen i strøm over en meget kort tidsperiode. Ved faktisk måling oplades eller aflades batteriet ved en konstant strøm, der starter fra en åben-kredsløbstilstand; forskellen mellem belastningsspændingen og den åbne-kredsløbsspænding over den samme tidsperiode, divideret med den aktuelle værdi, er den indre DC modstand. For bly{10}}syrebatterier øges den interne DC-modstand betydeligt i de senere stadier af afladning og kan bruges til at estimere batteriets SOC; variationen i DC intern modstand for MH/Ni-batterier og lithium-ion-batterier adskiller sig fra bly{12}}syrebatterier og er mindre almindeligt anvendt. Størrelsen af den indre DC-modstand påvirkes af beregningsperioden. Hvis tidsperioden er kortere end 10ms, kan kun den ohmske interne modstand detekteres; hvis tidsperioden er længere, bliver den indre modstand mere kompleks. Nøjagtig måling af den interne modstand i en enkelt celle er vanskelig, hvilket er en ulempe ved DC-metoden med intern modstand. Den interne modstandsmetode er velegnet til at estimere ladetilstanden (SOC) af et batteri i de senere afladningsstadier og kan bruges i kombination med ampere-time-integrationsmetoden.
6) Neural netværksmetode. Et batteri er et meget ikke-lineært system, og det er svært at etablere en nøjagtig matematisk model for dets opladnings-afladningsproces. Neurale netværk har grundlæggende ikke-lineære karakteristika, parallel struktur og indlæringsevne. De kan producere tilsvarende output for eksterne excitationer og dermed simulere batteridynamiske karakteristika for at estimere SOC. Et typisk 3-lags neuralt netværk bruges almindeligvis til at estimere batteri SOC: antallet af neuroner i input- og outputlagene bestemmes af de faktiske problemkrav og er generelt en lineær funktion; antallet af neuroner i det skjulte lag afhænger af problemets kompleksitet og den nødvendige analysenøjagtighed. Almindeligt anvendte inputvariabler til estimering af batteri SOC inkluderer spænding, strøm, akkumuleret afladet kapacitet, temperatur, intern modstand og omgivende temperatur. Hvorvidt valget af inputvariabler for neurale netværk er passende, og om antallet af variabler er korrekt, påvirker direkte modellens nøjagtighed og beregningsbelastningen. Den neurale netværksmetode er anvendelig til forskellige batterier, men dens ulempe er, at den kræver en stor mængde referencedata til træning, og estimeringsfejlen er meget påvirket af træningsdata og træningsmetode.
7) Kalman filtermetode. Kernen i Kalman-filterteorien er at lave det optimale estimat af et dynamisk systems tilstand i betydningen minimal varians. Når det anvendes til batteri-SOC-estimering, betragtes batteriet som et dynamisk system, og SOC er en af dets interne tilstande. Forskning i Kalman-filtermetoden til estimering af batteri-SOC er først begyndt i de senere år. Denne metode er velegnet til forskellige batterier og er sammenlignet med andre metoder særligt velegnet til SOC-estimering af batteripakker til elbiler med store strømudsving. Det giver ikke kun SOC-estimatet, men giver også estimeringsfejlen for SOC. Ulempen ved denne metode er imidlertid, at algoritmen er alt for kompleks og kræver høj beregningsevne af systemet, så det er endnu ikke gået ind i den praktiske fase.
Gennem-dybdegående forskning i forskellige SOC-estimeringsmetoder blev ampere-time-integrationsmetoden oprindeligt valgt som grundlag. Ved nøjagtigt at måle batteristrøm, kombineret med åben-kredsløbsspændingsmetoden og overveje faktorer såsom batteriladnings-afladningseffektivitet, temperatur, ældning og selv-afladning, opnås dynamisk styring af strømbatteriet i rene elektriske køretøjer. For rene elektriske køretøjer fungerer batteripakken stort set i fuld-opladning og fuld-afladningstilstand, hvor det meste af opladningsprocessen er konstant-aktuel opladning. Efter at opladningen er afsluttet, er der et relativt stabilt startværdibestemmelsespunkt (når opladningen er afsluttet, er SOC 100 % eller lidt overopladet). Hvis opladnings{13}}afladningseffektiviteten for batteripakken er meget høj (over 95 %), kan opladnings{15}}afladningseffektiviteten tilnærmes til 1 eller lig med en bestemt konstant værdi. Ved at bruge denne metode til at beregne SOC kan der opnås relativt gode resultater. Den akkumulerede fejl for hver opladnings-afladningscyklus elimineres stort set, når den næste opladning er fuldført sammen med genkalibreringen af den oprindelige SOC-værdi.
Ved at udføre høj-præcisionsmålinger af batterispændings-, strøm- og temperaturoplysninger for at sikre nøjagtigheden af SOC-estimeringsinput; ved at etablere en effektiv batterimodel gennem teoretisk analyse og tilpasning af eksperimentelle data; ved at korrigere SOC ved slutningen af opladning og afladning for at eliminere akkumulerede SOC-fejl; og ved at overveje batteriladnings-afladningseffektivitetsfaktorer, temperatur, ældning og selv-afladningseffekter opnås en høj-præcisionsestimat af systemets SOC. Algoritmen for batteristatus-af-ladningsestimering er vist i figur 17-12.
(1) SOC initial værdi beregningsmetodeSOC-startværdien opnås ved at gange den SOC, der er gemt ved strøm-off, og den SOC, der er opnået fra temperatur-OCV-SOC-opslagstabellen, med en koefficient, der er relateret til systemets offlinetid. SOC-startværdien skal læses, hver gang systemet tænder.
(2) Beregning af individuel celle SOC værdi og korrektion af individuel celle SOC værdi baseret på SOH værdiBatterikapaciteten fås ved at slå op i tabellen ved hjælp af temperatur og ladestrøm, og batterikapaciteten korrigeres ved at slå op i tabellen ved hjælp af SOH. Strømmen integreres ved hjælp af ampere-timemetoden og divideres derefter med kapaciteten for at opnå SOC-ændringsværdien. SOC-ændringsværdien lægges til startværdien for at opnå den individuelle celles SOC-værdi.
(3) Beregning af batteripakke SOCHvis systemet tændes igen, tages den aflæste SOC-startværdi som batteripakkens SOC; hvis den er i afladningstilstand, læser batteripakkens SOC minimumværdien blandt de individuelle celle SOC'er; hvis den er i opladningstilstand og opladningen ikke er færdig, aflæser batteripakkens SOC den maksimale modul SOC-værdi; hvis i opladningstilstand og opladningen er færdig, er batteripakkens SOC indstillet til 1.
(4)Individuel celle SOC korrektionsmetode ved slutningen af opladning/afladningHvis systemet er i opladningstilstand, og batteripakkens SOC er større end 0,8, defineres systemet som ved slutningen af opladningen; hvis systemet er i afladningstilstand, og batteripakkens SOC er mindre end 0,3, er systemet defineret som værende ved slutningen af afladningen. Hvis systemet er ved slutningen af opladning/afladning, skal SOC'en rettes. SOC-beregningsmetoden ved slutningen af opladning/afladning er at opnå SOC-værdien ved at slå op i tabellen ved hjælp af temperatur, lade-/afladningsstrøm og spænding.
