基于電動勢預(yù)測模型的電池soc估算方法研究

基于電動勢預(yù)測模型的電池soc估算方法研究

鉛酸蓄能池的剩余電池能力對獨(dú)立波形系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。只有較準(zhǔn)確地估計(jì)蓄電池的剩余容量,合理地安排用電負(fù)荷,才能保證獨(dú)立光伏系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。鉛酸蓄電池實(shí)際剩余容量的影響因素很多,包括蓄電池放電率、放電制度、終止電壓、溫度等。在進(jìn)行容量預(yù)測時,方法也各種各樣,使用的電池模型也不盡相同。安時計(jì)量法只需考慮電池的工作電流及其對應(yīng)的效率系數(shù),適用于各種類型的電池,且算法簡單,易于工程實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是不能確定電池當(dāng)前荷電量(SOC)的初始值和存在累積誤差等。電動勢法基于電池SOC與其電動勢E之間存在一個相對穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系,通過對電池電動勢的估算(建立一般通過電動勢模型實(shí)現(xiàn)),確定出電池的SOC狀態(tài)。缺點(diǎn)是電動勢預(yù)測模型也存在一定誤差。因此,為了解決上述兩種方法對SOC估算精度低的問題,實(shí)現(xiàn)兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ),本文采用基于電動勢預(yù)測模型的電動勢法與經(jīng)過修正的安時計(jì)量法,通過一種并聯(lián)加權(quán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合的一種改進(jìn)的SOC估算新方法,實(shí)現(xiàn)對蓄電池SOC更加準(zhǔn)確的估算。1蓄電池的容量安時計(jì)量法也簡稱安時法,是最常用的SOC估算方法。安時計(jì)量法估算SOC的表達(dá)式為其中:SOC0為電池初始荷電量;i為電池工作電流;η為充放電效率;CN為電池的額定容量;ΔSOC為電池SOC的變化量。在實(shí)際應(yīng)用安時計(jì)量法進(jìn)行SOC估算時,還需考慮的一些具體因素:如放電電流越大,活性物質(zhì)利用程度越低,蓄電池所給出的有效容量越小;蓄電池在使用過程中實(shí)際可用容量也會隨著電池老化而逐漸衰減;蓄電池的容量隨溫度增加而增加等。因此,為了準(zhǔn)確估算電池SOC,針對這幾方面的因素,必須對算法進(jìn)行修正。1.1電池充放電倍率Peukert提出了變電流工作時的容量修正經(jīng)驗(yàn)公式(2),公式通過放電容量和放電電流關(guān)系描述了電池充放電倍率問題。其中:I為放電電流;t為放電時間;常數(shù)n、K與電池類型與活性物質(zhì)重量有關(guān)。電流等效系數(shù)ki為基于實(shí)際應(yīng)用中蓄電池的輸出常為變電流,SOC估算中電流等效系數(shù)主要由多倍率放電測試獲得。1.2soh容量與新電池定額容量的配比電池健康狀態(tài)(SOH)在數(shù)值上就等于舊電池的實(shí)際容量與新電池額定容量的比值,如式(5)所示,可以將SOH直接用作電池健康狀態(tài)的修正系數(shù)kl。其中C表示當(dāng)前電池的最大容量,CN表示新電池的額定容量。1.3電解溫度的確定目前,常采用描述溫度與容量的關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為式中:αT為溫度系數(shù),是一個常數(shù),一般取0.003~0.01;T為電解液溫度。蓄電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)kT為引入等效電流系數(shù)ki、健康狀態(tài)kl和溫度補(bǔ)償系數(shù)kT,對式(1)修正后的安時計(jì)量法表達(dá)式為2基于電動勢預(yù)測模型的電動勢法的套接合性推測2.1放電放電歷史雖然蓄電池的SOC受到許多因素的影響,但其穩(wěn)定時的開路電壓(電動勢E)與其SOC有較好的對應(yīng)關(guān)系,而且受溫度和以往放電歷史的影響很小。這些開路電壓都是在蓄電池放電停止5h以上測得。為了簡化電池E-SOC關(guān)系的提取過程,同時又不失準(zhǔn)確性,參考當(dāng)前國內(nèi)外蓄電池相關(guān)的測試方法,采用了恒流間歇充放電配合短時間擱置,最后取平均值的方法。2.2放電狀態(tài)下電壓恢復(fù)特性的預(yù)測蓄電池在不同容量、同一放電率下,結(jié)束放電的開路電壓恢復(fù)特性曲線見圖1(圖中x=lgt/min),可以看出它們有類似的恢復(fù)趨勢。而在不同的放電率下,放電至相同標(biāo)稱荷電狀態(tài)SOCs時,蓄電池結(jié)束放電至穩(wěn)定,它們有相同的穩(wěn)定開路電壓(電動勢),如圖2所示。在充電狀態(tài)下,電壓恢復(fù)特性也有相類似趨勢。為預(yù)測穩(wěn)定時的電動勢,對圖2中的一條曲線以穩(wěn)定時的電動勢E和初始恢復(fù)過程的線性段(時間為30s~10min)作兩根漸近線,如圖3所示。交點(diǎn)處的電壓即為電動勢E,且有式中:k為漸近線2的斜率;tp為兩漸近線交點(diǎn)處的時間;t0漸近線中的一時間點(diǎn);E0為蓄電池在t0時刻的電動勢。為使上式計(jì)算線性化,令為方便計(jì),設(shè)t0=1min,那么式(9)變?yōu)橹灰獪y得t0=1min與t=5min時的電壓E0和E0.7,即可求得斜率k。經(jīng)過對多種不同型號蓄電池的多種放電狀態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,xp取平均值1.4(其平均誤差為1.6%),因此(11)式變?yōu)榇岁P(guān)系式對充電后的電動勢的預(yù)測也是實(shí)用的,k值的計(jì)算方法也相同,只是在充電下得到的k為負(fù)值。在一般的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中,當(dāng)蓄電池處于開路狀態(tài),只要持續(xù)5min以上,就可以較準(zhǔn)確地知道蓄電池的電動勢E。3電池安時法2安時法-電動勢法SOC綜合估算算法如圖4所示。首先,在蓄電池處于開路狀態(tài)時,分別測量t0=1min和t=5min時的電勢E0和E0.7,得到預(yù)測的電動勢E,接著查E-SOC對照表,得到由電動勢法估算得到的蓄電池的初始值SOC0;然后,測量當(dāng)前電池電流I,通過查等效電流系數(shù)表得到相應(yīng)的等效系數(shù)ki,測量當(dāng)前溫度T,由式(7)得到溫度系數(shù)KT,將當(dāng)前電流I、電流等效系數(shù)ki、溫度系數(shù)kT、電池健康狀態(tài)的修正系數(shù)kl和蓄電池的額定容量CN代入式(8),得到用安時法計(jì)算得到的增量△SOC;最后,最終輸出的是兩種方法加權(quán)得到的SOC預(yù)測值,圖3中的w是安時法△SOC的加權(quán)因子,1-w為電動勢法SOC的加權(quán)因子,w滿足0≤w≤1。增大w,可以對蓄電池工作狀態(tài)切換時電動勢法引起誤差起到一定的抑制作用,但電動勢法的加權(quán)系數(shù)1-w就會變小,很難發(fā)揮其對最終SOC預(yù)測值的矯正作用。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,w平均值取0.95~0.96時,SOC估算精度可以達(dá)到10%以內(nèi)。4自動充放電實(shí)驗(yàn)采用三段式充電器及恒流源負(fù)載對電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn),搭建相應(yīng)電路,將充電器、恒流源負(fù)載及計(jì)數(shù)器等組成自動充放電系統(tǒng)進(jìn)行信號檢測與相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄。4.1放電倍率對放電放電效率的影響針對12V/20Ah的VRLA蓄電池(膠體)進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)分為等電量間歇放電實(shí)驗(yàn)和持續(xù)放電實(shí)驗(yàn)。等電量間歇放電實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中采用放電電流分別為2、4、6、8、10A,蓄電池是新電池,實(shí)際容量約為20Ah,因此,這幾種電流對應(yīng)的放電倍率分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5C。持續(xù)放電實(shí)驗(yàn)就是采用某一放電倍率對充滿電的電池進(jìn)行持續(xù)性放電,直至電池端電壓到達(dá)放電截止電壓10.8V;然后再采用上述的放電倍率重復(fù)這一過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。由表1和表2可以看出,隨著放電電流的增大,蓄電池可以放出的有效電量出現(xiàn)衰減趨勢;在相同的放電倍率下,采用持續(xù)放電方式所能放出的電量會明顯小于采用間歇放電方式所能放出的電量;持續(xù)放電條件下的電流系數(shù)也明顯小于間歇放電條件下的電流系數(shù)?？紤]到這一差異,在電流系數(shù)的選取時,就要充分結(jié)合用電設(shè)備的實(shí)際工作條件。4.2蓄電池端電壓極值的測量充放電實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。采用等效電流系數(shù)接近1的2A標(biāo)準(zhǔn)電流進(jìn)行恒流間歇充放電實(shí)驗(yàn),充放電時間取1h,擱置時間取2h,保持SOC每變化10%(2Ah)測量1次擱置時間段的端電壓極值點(diǎn),并將這些點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,可以獲得一條曲線;然后在充電過程中也采用類似的方法,取出每個擱置時間段的端電壓極值點(diǎn),根據(jù)這些點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,可以獲得另一條曲線;最后取這兩條曲線的平均值,所得到的平均曲線即作為蓄電池的參考E-SOC對應(yīng)關(guān)系。因此,本文選取了10%~80%的SOC范圍,每隔10%在擱置時間段取一個端電壓值,共計(jì)8個點(diǎn)。E-SOC關(guān)系曲線見圖7。4.3預(yù)測結(jié)果分析圖8為2A恒流放電7h狀態(tài)下的蓄電池SOC預(yù)測結(jié)果。由圖8可知,本文預(yù)測方法得到SOC曲線與理論值SOC曲線基本一致,表明本文預(yù)測方法確實(shí)能夠準(zhǔn)確地跟蹤電池的真實(shí)狀態(tài)。5電動勢法的校正方法安時法只受蓄電池工作電流以及充放電效率的影響,因此可以彌補(bǔ)電動勢法對電動