能量-電動(dòng)勢(shì)法估算vrla電池荷電狀態(tài)的研究

目前，套式計(jì)算方法主要包括安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)部阻法、電動(dòng)勢(shì)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。其中,安時(shí)計(jì)量法不能確定電池SOC的初始值和存在累積誤差;電動(dòng)勢(shì)法因電動(dòng)勢(shì)(開(kāi)路電壓)預(yù)測(cè)模型也會(huì)存在一定誤差;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法易受干擾。文獻(xiàn)提出能量法,該方法認(rèn)為蓄電池的能量為常數(shù),但沒(méi)有對(duì)蓄電池的能量進(jìn)行電流、溫度等因素上的修正,且對(duì)蓄電池電動(dòng)勢(shì)采用經(jīng)驗(yàn)公式擬合,這與實(shí)際結(jié)果有所偏差。本文在能量法的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析蓄電池充放電倍率、工作溫度和循環(huán)次數(shù)等因素的影響,對(duì)能量法進(jìn)行了修正。采用基于開(kāi)路電壓預(yù)測(cè)模型的電動(dòng)勢(shì)法與經(jīng)過(guò)修正的能量法通過(guò)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)SOC估算新方法,進(jìn)行對(duì)電池SOC更加準(zhǔn)確的估算。基于剩余能量的模型預(yù)測(cè)蓄電池的充放電電流I的大小會(huì)影響到蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng),從而影響到蓄電池的實(shí)際容量偏離額定容量CN,導(dǎo)致計(jì)算出的SOC值不能有效地反映真實(shí)情況。因此,考慮到電流的變化和充放電效率因素等會(huì)影響到SOC的預(yù)測(cè),在安時(shí)計(jì)量法基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)提出用計(jì)算蓄電池剩余能量來(lái)替代安時(shí)法的電流積分,其相應(yīng)的表達(dá)式為式中,SOC0為初始的SOC值;I為電池工作電流;WA為蓄電池的額定能量,該值為一常數(shù);E為SOC對(duì)應(yīng)的蓄電池電動(dòng)勢(shì)(開(kāi)路電壓VOC),由開(kāi)路電壓預(yù)測(cè)模型方法獲得;ΔSOC為電池SOC的變化量。由文獻(xiàn)可知,蓄電池的額定能量WA與額定容量CN成正比,且在不同實(shí)驗(yàn)條件下其值不是定值。而上述的能量法中沒(méi)有對(duì)蓄電池的能量進(jìn)行電流、電池老化和溫度等因素上的修正,使得計(jì)算出來(lái)的值也會(huì)偏離真實(shí)的SOC值。因此,為了準(zhǔn)確估算電池SOC,針對(duì)這幾方面的因素,必須對(duì)算法進(jìn)行修正。1.路電壓voc預(yù)測(cè)模型從充放電狀態(tài)切換到靜置狀態(tài)以后,蓄電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)會(huì)逐漸趨于平衡,其開(kāi)路電壓VOC也會(huì)趨于穩(wěn)定。對(duì)VRLA電池而言,靜置時(shí)間達(dá)到8~12h以上即認(rèn)為電池內(nèi)部反應(yīng)達(dá)到平衡。為實(shí)用就必須減少等待時(shí)間來(lái)得到開(kāi)路電壓VOC,需尋找一種預(yù)測(cè)模型,能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)路電壓VOC較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。為預(yù)測(cè)穩(wěn)定時(shí)的開(kāi)路電壓VOC,如圖1所示,對(duì)圖1中的某一放電率下的電壓恢復(fù)特性曲線以穩(wěn)定時(shí)的開(kāi)路電壓VOC和初始恢復(fù)過(guò)程的線性段(時(shí)間0.5~10min)作兩根漸近線如圖1所示。交點(diǎn)處的電壓即為開(kāi)路電壓VOC,且式中,k=(V1-V0)/(x1-x0)=(V0.7-V0)/0.7為漸近線2的斜率;tp為兩漸近線交點(diǎn)處的時(shí)間;V0和V0.7分別為蓄電池在t0=1min、t0.7=5min時(shí)刻的端電壓。xP對(duì)不同蓄電池以及不同的放電率有所不同,由文獻(xiàn)可知,xP取值1.4~1.6之間,其誤差為1.6%~4.2%。2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算(1)充放電倍率設(shè)任意充放電電流條件下的充放電容量C與蓄電池額定容量CN之比為充放電電流修正系數(shù)kI。針對(duì)12V、20A·h的VRLA蓄電池進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用放電倍率分別為0.1C、0.2C、0.3C、0.4C和0.5C。分別進(jìn)行等電量間歇放電實(shí)驗(yàn)和持續(xù)放電實(shí)驗(yàn)。等電量間歇放電實(shí)驗(yàn)采用以某一倍率對(duì)充滿電的電池放電4A·h,擱置2h,直至電池達(dá)到截止電壓。持續(xù)放電實(shí)驗(yàn)采用某一放電倍率對(duì)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。如表1和表2所示,可以看出: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和電流修正系數(shù)明顯小于采用間歇放電方式所能放出的電量和電流修正系數(shù)。在電流系數(shù)的選取時(shí),就要充分結(jié)合用電設(shè)備的實(shí)際工作條件。(2)循環(huán)次數(shù)設(shè)蓄電池不同的充放電次數(shù)N所對(duì)應(yīng)的容量與額定容量的比值為循環(huán)次數(shù)補(bǔ)償系數(shù)kN。以蓄電池的循環(huán)方式考察蓄電池的壽命,如表3所示可知,蓄電池的容量隨著充放電次數(shù)而變化,在前220個(gè)循環(huán)內(nèi),蓄電池的實(shí)際容量可能高于其額定容量(在常溫下),之后容量會(huì)隨著充放電次數(shù)的增加而降低。(3)電池內(nèi)部的工作溫度蓄電池的容量隨溫度增加而增加,主要由電解液的性能變化而引起。設(shè)任意溫度條件下蓄電池容量與額定容量之間的比值為蓄電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)kT。根據(jù)蓄電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出蓄電池溫度與溫度補(bǔ)償系數(shù)kT,如表4所示。引入的不同倍率的電流修正系數(shù)kI、循環(huán)次數(shù)的修正系數(shù)kN和溫度補(bǔ)償系數(shù)kT,對(duì)式(1)修正后的安時(shí)計(jì)量法表達(dá)式如下能量法的改進(jìn)和電勢(shì)法的聯(lián)合脈沖估算的存在1.恒流間隙充放電配合長(zhǎng)時(shí)負(fù)擔(dān)重量的實(shí)驗(yàn)研究電動(dòng)勢(shì)法的基本思想是認(rèn)為電池SOC與其電動(dòng)勢(shì)E之間存在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,簡(jiǎn)稱E-SOC關(guān)系,在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)的估算即可實(shí)現(xiàn)SOC的估算。為了簡(jiǎn)化電池E-SOC關(guān)系的提取過(guò)程,參考蓄電池相關(guān)的測(cè)試方法,擬采用了恒流間歇充放電配合短時(shí)間擱置的方法。采用2A標(biāo)準(zhǔn)電流進(jìn)行恒流間歇充放電實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)選取了10%~80%的SOC范圍,充放電時(shí)間取1h,擱置2h,測(cè)量一次擱置時(shí)的端電壓最值,并將這些點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,可以獲得一條曲線;在充電過(guò)程中也采用類似的方法獲得另一條曲線;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(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,如圖2所示。2.電池電動(dòng)勢(shì)法測(cè)量soc能量-電動(dòng)勢(shì)法SOC估算算法如圖3所示。首先,在蓄電池處于開(kāi)路狀態(tài)持續(xù)5min以上時(shí),通過(guò)開(kāi)路電壓預(yù)測(cè)模型得到開(kāi)路電壓VOC,查E-SOC關(guān)系曲線,得到由電動(dòng)勢(shì)法估算得到的式(3)中的SOC0。然后,測(cè)量當(dāng)前電池電流I、溫度T及循環(huán)次數(shù)N,通過(guò)查表1~表4,得到相應(yīng)的修正系數(shù)kI、kT和kN,將前面的電動(dòng)勢(shì)E(VOC)代入式(3),得到式(3)中的ΔSOC。最后,將SOC0和ΔSOC分別乘上各自加權(quán)因子1-w、w后相加,最終得到的SOC估算值,w滿足0≤w≤1。增大w,可以對(duì)蓄電池工作狀態(tài)切換時(shí)電動(dòng)勢(shì)法引起誤差起到一定的抑制作用,但電動(dòng)勢(shì)法的加權(quán)系數(shù)1-w就會(huì)變小,很難發(fā)揮其對(duì)最終SOC預(yù)測(cè)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(shí),SOC估算準(zhǔn)確度可以達(dá)到8%以內(nèi)。蓄電池容量預(yù)測(cè)模型圖4為2A恒流放電7h狀態(tài)下的電池SOC預(yù)測(cè)結(jié)果。由表4的數(shù)據(jù)可看出隨著蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)放熱,蓄電池內(nèi)部溫度上升導(dǎo)致蓄電池的實(shí)際容量要高于額定容量。而安時(shí)計(jì)量預(yù)測(cè)法中將蓄電池的額定容量CN設(shè)定為常數(shù),因此安時(shí)法預(yù)測(cè)出的SOC值要高于實(shí)際的SOC值。本文提出的改進(jìn)的能量-電勢(shì)法不僅會(huì)考慮放電過(guò)程中的溫度等因素的影響,預(yù)測(cè)出的SOC值比較接近理論值SOC曲線。新的預(yù)測(cè)soc算法本文以傳統(tǒng)的能量預(yù)測(cè)算法為基礎(chǔ),