Kako oceniti stanje napolnjenosti?
Ocena SOC
Stanje napolnjenosti (SOC) baterije je eden najpomembnejših parametrov med uporabo baterije. Ker na SOC vplivajo dejavniki, kot so hitrost polnjenja/praznjenja (tok), temperatura, samo-praznjenje in staranje, baterije med uporabo kažejo visoko nelinearnost, kar otežuje natančno oceno SOC.
Metode ocenjevanja SOC
Pogosto uporabljenMetode ocenjevanja SOCvključujejo metodo poskusa praznjenja, metodo integracije amper-ur, metodo-napetosti odprtega tokokroga, metodo napetosti obremenitve, metodo notranjega upora, metodo nevronske mreže in metodo Kalmanovega filtriranja.
1) Metoda poskusa praznjenja. Metoda poskusa praznjenja je najbolj zanesljiva metoda ocenjevanja SOC. Za neprekinjeno praznjenje uporablja konstanten tok, zmnožek toka praznjenja in časa pa je preostali naboj. Metoda poskusa praznjenja se pogosto uporablja v laboratorijih in je uporabna za vse baterije, vendar ima dve pomembni pomanjkljivosti: prvič, zahteva veliko časa; drugič, delovanje baterije je treba prekiniti. Metoda poskusa praznjenja ni primerna za električna vozila v gibanju, lahko pa se uporablja za vzdrževanje akumulatorjev električnih vozil.
2)Metoda integracije amper{1}}ur. Metoda integracije amper-ur je najpogosteje uporabljena metoda ocenjevanja SOC. Vendar ima ta metoda naslednje težave: nenatančnamerjenje tokavodi do odstopanja pri izračunu SOC, napake pa se sčasoma kopičijo in postajajo večje; upoštevati je treba učinkovitost polnjenja-praznjenja baterije; napake so večje pri visokih-temperaturnih pogojih ali ko baterija močno niha. Netočne meritve toka je mogoče rešiti z uporabo visoko{3}}zmogljivih tokovnih senzorjev, vendar se stroški povečajo; reševanje učinkovitosti polnjenja-praznjenja zahteva obvladovanje velike količine eksperimentalnih podatkov in določitev empiričnih formul za učinkovitost polnjenja-praznjenja. Metoda integracije amper-ur se lahko uporablja za vse baterije električnih vozil. Če je trenutna meritev točna in je dovolj podatkov za začetno stanje ocene, je to lahko preprosta in zanesljiva metoda ocene SOC.
3) Metoda-napetosti odprtega tokokroga. Napetost odprtega{3}}tokokroga akumulatorja na koncu praznjenja je blizu elektromotorne sile akumulatorja. Elektromotorna sila akumulatorja s kobaltovo-kislino je funkcija koncentracije elektrolita, ki pada sorazmerno s praznjenjem akumulatorja, zato se lahko napetost odprtega-vezja uporabi za oceno SOC. Linearnost razmerja med napetostjo-odprtega tokokroga in SOC za MH/Ni baterije in litij-ionske baterije ni tako dobra kot pri kobalt{10}}kislinskih baterijah, vendar je njihovo ustrezno razmerje še vedno mogoče uporabiti za oceno SOC, zlasti z boljšimi rezultati na začetku in koncu polnjenja. Pomembna pomanjkljivost metode odprt{12}}napetosti je, da mora baterija dolgo počivati, da se napetost stabilizira, in traja več ur ali celo več kot deset ur, da se stanje baterije povrne iz delovanja v stabilnost, kar povzroča določene težave pri merjenju; Težava je tudi določitev časa mirovanja, zato je ta metoda, če se uporablja samostojno, primerna samo za električna vozila v parkiranem stanju. Metoda napetosti-odprtega kroga ima dobro zmogljivost ocene SOC na začetku in koncu polnjenja in se pogosto uporablja v kombinaciji z metodo integracije amper{15}}ur.
4) Metoda napetosti obremenitve. V trenutku, ko se začne praznjenje, se napetost hitro spremeni iz stanja napetosti odprtega-vezja v stanje napetosti obremenitve. Ko obremenitveni tok akumulatorja ostane konstanten, je vzorec variacije napetosti obremenitve s SOC podoben vzorcu napetosti odprtega{4}}vezja s SOC. Prednost metode obremenitvene napetosti je, da lahko oceni SOC paketa baterij v realnem času in ima dobre rezultate pri konstantnem{6}}tokovnem praznjenju. V praktičnih aplikacijah napetost voznikovega akumulatorja povzroča težave pri uporabi napetosti bremena. Za rešitev tega problema je potreben matematični model podatkov o napetosti baterije, neodvisne dinamične napetosti obremenitve in SOC; zato se metoda obremenitvene napetosti redko uporablja za resnična vozila, vendar se pogosto uporablja kot merilo za prekinitev polnjenja-praznjenja akumulatorja.
5) Metoda notranjega upora. Notranji upor baterije je razdeljen na notranji upor AC in notranji upor DC, ki sta tesno povezana s SOC (stanje napolnjenosti). Izmenični upor baterije je prenosna funkcija med napetostjo in tokom baterije, kompleksna spremenljivka, ki predstavlja upor baterije na izmenični tok in se meri z merilnikom izmenične impedance. Temperatura močno vpliva na impedanco AC baterije; Ali ga meriti v odprtem -tokokrogu, potem ko se je baterija umirila, ali med polnjenjem in praznjenjem, je sporno in se redko uporablja v dejanskih vozilih. DC notranji upor predstavlja upor baterije na enosmerni tok, ki je enak razmerju med spremembo napetosti baterije in spremembo toka v zelo kratkem časovnem obdobju. Pri dejanski meritvi se baterija polni ali prazni s konstantnim tokom, začenši s stanjem odprtega-vezja; razlika med obremenitveno napetostjo in odprto-napetostjo tokokroga v istem časovnem obdobju, deljena s trenutno vrednostjo, je enosmerni notranji upor. Pri svinčenih{10}}kislinskih akumulatorjih se notranji upor enosmernega toka znatno poveča v kasnejših fazah praznjenja in ga je mogoče uporabiti za oceno SOC akumulatorja; variacija notranjega upora enosmernega toka baterij MH/Ni in litij-ionskih baterij se razlikuje od tiste pri svinčenih-kislinskih baterijah in se manj pogosto uporablja. Na velikost notranjega upora DC vpliva časovno obdobje izračuna. Če je časovno obdobje krajše od 10 ms, je mogoče zaznati samo ohmski notranji upor; če je časovno obdobje daljše, postane notranji upor bolj zapleten. Natančno merjenje notranjega upora posamezne celice je težko, kar je pomanjkljivost metode notranjega upora enosmernega toka. Metoda notranjega upora je primerna za oceno stanja napolnjenosti (SOC) baterije v kasnejših fazah praznjenja in se lahko uporablja v kombinaciji z metodo integracije amper-ur.
6) Metoda nevronske mreže. Baterija je zelo nelinearen sistem in težko je vzpostaviti natančen matematični model za njen proces polnjenja-praznjenja. Nevronske mreže imajo temeljne nelinearne značilnosti, vzporedno strukturo in sposobnost učenja. Proizvedejo lahko ustrezne izhode za zunanje vzbujanje in tako simulirajo dinamične značilnosti baterije za oceno SOC. Tipična 3-slojna nevronska mreža se običajno uporablja za oceno SOC baterije: število nevronov v vhodni in izhodni plasti je določeno z dejanskimi zahtevami problema in je na splošno linearna funkcija; število nevronov v skritem sloju je odvisno od kompleksnosti problema in zahtevane natančnosti analize. Običajno uporabljene vhodne spremenljivke za ocenjevanje SOC baterije vključujejo napetost, tok, akumulirano izpraznjeno zmogljivost, temperaturo, notranji upor in temperaturo okolja. Ali je izbor vhodnih spremenljivk nevronske mreže ustrezen in ali je število spremenljivk pravilno, neposredno vpliva na točnost modela in računalniško obremenitev. Metoda nevronske mreže je uporabna za različne baterije, vendar je njena pomanjkljivost, da zahteva veliko količino referenčnih podatkov za usposabljanje, na napako ocene pa močno vplivajo podatki o usposabljanju in metoda usposabljanja.
7) Metoda Kalmanovega filtra. Osrednja ideja teorije Kalmanovih filtrov je narediti optimalno oceno stanja dinamičnega sistema v smislu minimalne variance. Ko se uporablja za oceno SOC baterije, se baterija obravnava kot dinamičen sistem in SOC je eno od njenih notranjih stanj. Raziskave metode Kalmanovega filtra za ocenjevanje SOC baterije so se začele šele v zadnjih letih. Ta metoda je primerna za različne baterije in je v primerjavi z drugimi metodami še posebej primerna za oceno SOC baterijskih paketov električnih vozil z velikimi tokovnimi nihanji. Ne zagotavlja le ocene SOC, ampak tudi napako ocene SOC. Pomanjkljivost te metode pa je, da je algoritem preveč zapleten in zahteva visoko računsko zmogljivost sistema, zato še ni zašel v praktično fazo.
S-poglobljeno raziskavo različnih metod ocenjevanja SOC je bila kot osnova sprva izbrana metoda integracije amper{1}}ur. Z natančnim merjenjem toka akumulatorja v kombinaciji z metodo napetosti-odprtega tokokroga in upoštevanjem dejavnikov, kot so učinkovitost polnjenja-praznjenja akumulatorja, temperatura, staranje in samo-praznjenje, je doseženo dinamično upravljanje akumulatorja popolnoma električnih vozil. Pri popolnoma električnih vozilih baterijski paket v bistvu deluje v stanju-polne-napolnjenosti in popolne-praznjenosti, pri čemer je večina postopka polnjenja konstantno-tokovno polnjenje. Po končanem polnjenju je relativno stabilna točka določanja začetne vrednosti (ko je polnjenje končano, je SOC 100 % ali rahlo prenapolnjen). Če je učinkovitost polnjenja-praznjenja paketa baterij zelo visoka (nad 95 %), je lahko učinkovitost polnjenja-praznjenja približno 1 ali enaka določeni stalni vrednosti. Z uporabo te metode za izračun SOC lahko dosežemo relativno dobre rezultate. Nakopičena napaka vsakega cikla polnjenja-praznjenja je v bistvu odpravljena, ko je naslednje polnjenje končano skupaj s ponovnim umerjanjem začetne vrednosti SOC.
Z izvajanjem visoko{0}}natančnih meritev informacij o napetosti, toku in temperaturi baterije, da se zagotovi točnost vhodnih ocen SOC; z vzpostavitvijo učinkovitega modela baterije s teoretično analizo in prilagajanjem eksperimentalnih podatkov; s popravkom SOC na koncu polnjenja in praznjenja za odpravo akumuliranih napak SOC; in z upoštevanjem faktorjev učinkovitosti polnjenja-praznjenja baterije, temperature, staranja in učinkov-samopraznjenja je dosežena visoko-natančna ocena SOC sistema. Stanje baterije--algoritma za oceno napolnjenosti je prikazano na sliki 17-12.
(1) Metoda izračuna začetne vrednosti SOCZačetno vrednost SOC dobimo tako, da pomnožimo SOC, shranjen ob-izklopu, in SOC, dobljen iz iskalne tabele temperature-OCV-SOC, s koeficientom, ki je povezan s časom brez povezave sistema. Začetno vrednost SOC je treba prebrati vsakič, ko se sistem vklopi.
(2) Izračun vrednosti SOC posamezne celice in popravek vrednosti SOC posamezne celice na podlagi vrednosti SOHKapaciteto baterije dobimo tako, da pogledamo tabelo z uporabo temperature in polnilnega toka, kapaciteto baterije pa popravimo tako, da pogledamo tabelo z uporabo SOH. Tok se integrira z metodo amper-ur in nato deli s kapaciteto, da se pridobi vrednost spremembe SOC. Vrednost spremembe SOC se doda začetni vrednosti, da se pridobi vrednost SOC posamezne celice.
(3) Izračun SOC baterijeČe se sistem znova vklopi, se prebrana začetna vrednost SOC vzame kot SOC baterije; če je v stanju izpraznjenosti, SOC baterijskega paketa odčita najmanjšo vrednost med SOC posameznih celic; če je v stanju polnjenja in polnjenje ni končano, baterijski paket SOC odčita najvišjo vrednost SOC modula; če je v stanju polnjenja in je polnjenje končano, je SOC paketa baterij nastavljen na 1.
(4)Metoda korekcije SOC posamezne celice ob koncu polnjenja/praznjenjaČe je sistem v stanju polnjenja in je SOC paketa baterij večji od 0,8, je sistem opredeljen kot na koncu polnjenja; če je sistem v stanju praznjenja in je SOC paketa baterij manjši od 0,3, je sistem opredeljen kot na koncu praznjenja. Če je sistem na koncu polnjenja/praznjenja, je treba SOC popraviti. Metoda izračuna SOC na koncu polnjenja/praznjenja je pridobitev vrednosti SOC z iskanjem po tabeli z uporabo temperature, polnilnega/praznilnega toka in napetosti.
