基于电动势预测模型的电池soc估算方法研究

基于电动势预测模型的电池soc估算方法研究

铅酸蓄能池的剩余电池能力对独立波形系统的正常运行具有重要意义。只有较准确地估计蓄电池的剩余容量,合理地安排用电负荷,才能保证独立光伏系统安全可靠地运行。铅酸蓄电池实际剩余容量的影响因素很多,包括蓄电池放电率、放电制度、终止电压、温度等。在进行容量预测时,方法也各种各样,使用的电池模型也不尽相同。安时计量法只需考虑电池的工作电流及其对应的效率系数,适用于各种类型的电池,且算法简单,易于工程实现。缺点是不能确定电池当前荷电量(SOC)的初始值和存在累积误差等。电动势法基于电池SOC与其电动势E之间存在一个相对稳定的对应关系,通过对电池电动势的估算(建立一般通过电动势模型实现),确定出电池的SOC状态。缺点是电动势预测模型也存在一定误差。因此,为了解决上述两种方法对SOC估算精度低的问题,实现两种方法的优势互补,本文采用基于电动势预测模型的电动势法与经过修正的安时计量法,通过一种并联加权的结构进行结合的一种改进的SOC估算新方法,实现对蓄电池SOC更加准确的估算。1蓄电池的容量安时计量法也简称安时法,是最常用的SOC估算方法。安时计量法估算SOC的表达式为其中:SOC0为电池初始荷电量;i为电池工作电流;η为充放电效率;CN为电池的额定容量;ΔSOC为电池SOC的变化量。在实际应用安时计量法进行SOC估算时,还需考虑的一些具体因素:如放电电流越大,活性物质利用程度越低,蓄电池所给出的有效容量越小;蓄电池在使用过程中实际可用容量也会随着电池老化而逐渐衰减;蓄电池的容量随温度增加而增加等。因此,为了准确估算电池SOC,针对这几方面的因素,必须对算法进行修正。1.1电池充放电倍率Peukert提出了变电流工作时的容量修正经验公式(2),公式通过放电容量和放电电流关系描述了电池充放电倍率问题。其中:I为放电电流;t为放电时间;常数n、K与电池类型与活性物质重量有关。电流等效系数ki为基于实际应用中蓄电池的输出常为变电流,SOC估算中电流等效系数主要由多倍率放电测试获得。1.2soh容量与新电池定额容量的配比电池健康状态(SOH)在数值上就等于旧电池的实际容量与新电池额定容量的比值,如式(5)所示,可以将SOH直接用作电池健康状态的修正系数kl。其中C表示当前电池的最大容量,CN表示新电池的额定容量。1.3电解温度的确定目前,常采用描述温度与容量的关系的经验公式为式中:αT为温度系数,是一个常数,一般取0.003~0.01;T为电解液温度。蓄电池的温度补偿系数kT为引入等效电流系数ki、健康状态kl和温度补偿系数kT,对式(1)修正后的安时计量法表达式为2基于电动势预测模型的电动势法的套接合性推测2.1放电放电历史虽然蓄电池的SOC受到许多因素的影响,但其稳定时的开路电压(电动势E)与其SOC有较好的对应关系,而且受温度和以往放电历史的影响很小。这些开路电压都是在蓄电池放电停止5h以上测得。为了简化电池E-SOC关系的提取过程,同时又不失准确性,参考当前国内外蓄电池相关的测试方法,采用了恒流间歇充放电配合短时间搁置,最后取平均值的方法。2.2放电状态下电压恢复特性的预测蓄电池在不同容量、同一放电率下,结束放电的开路电压恢复特性曲线见图1(图中x=lgt/min),可以看出它们有类似的恢复趋势。而在不同的放电率下,放电至相同标称荷电状态SOCs时,蓄电池结束放电至稳定,它们有相同的稳定开路电压(电动势),如图2所示。在充电状态下,电压恢复特性也有相类似趋势。为预测稳定时的电动势,对图2中的一条曲线以稳定时的电动势E和初始恢复过程的线性段(时间为30s~10min)作两根渐近线,如图3所示。交点处的电压即为电动势E,且有式中:k为渐近线2的斜率;tp为两渐近线交点处的时间;t0渐近线中的一时间点;E0为蓄电池在t0时刻的电动势。为使上式计算线性化,令为方便计,设t0=1min,那么式(9)变为只要测得t0=1min与t=5min时的电压E0和E0.7,即可求得斜率k。经过对多种不同型号蓄电池的多种放电状态实验验证,xp取平均值1.4(其平均误差为1.6%),因此(11)式变为此关系式对充电后的电动势的预测也是实用的,k值的计算方法也相同,只是在充电下得到的k为负值。在一般的独立光伏系统中,当蓄电池处于开路状态,只要持续5min以上,就可以较准确地知道蓄电池的电动势E。3电池安时法2安时法-电动势法SOC综合估算算法如图4所示。首先,在蓄电池处于开路状态时,分别测量t0=1min和t=5min时的电势E0和E0.7,得到预测的电动势E,接着查E-SOC对照表,得到由电动势法估算得到的蓄电池的初始值SOC0;然后,测量当前电池电流I,通过查等效电流系数表得到相应的等效系数ki,测量当前温度T,由式(7)得到温度系数KT,将当前电流I、电流等效系数ki、温度系数kT、电池健康状态的修正系数kl和蓄电池的额定容量CN代入式(8),得到用安时法计算得到的增量△SOC;最后,最终输出的是两种方法加权得到的SOC预测值,图3中的w是安时法△SOC的加权因子,1-w为电动势法SOC的加权因子,w满足0≤w≤1。增大w,可以对蓄电池工作状态切换时电动势法引起误差起到一定的抑制作用,但电动势法的加权系数1-w就会变小,很难发挥其对最终SOC预测值的矫正作用。经多次实验验证,w平均值取0.95~0.96时,SOC估算精度可以达到10%以内。4自动充放电实验采用三段式充电器及恒流源负载对电池进行充放电实验,搭建相应电路,将充电器、恒流源负载及计数器等组成自动充放电系统进行信号检测与相关的数据记录。4.1放电倍率对放电放电效率的影响针对12V/20Ah的VRLA蓄电池(胶体)进行的放电实验分为等电量间歇放电实验和持续放电实验。等电量间歇放电实验流程如图5所示。实验中采用放电电流分别为2、4、6、8、10A,蓄电池是新电池,实际容量约为20Ah,因此,这几种电流对应的放电倍率分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5C。持续放电实验就是采用某一放电倍率对充满电的电池进行持续性放电,直至电池端电压到达放电截止电压10.8V;然后再采用上述的放电倍率重复这一过程。实验数据见表1和表2。由表1和表2可以看出,随着放电电流的增大,蓄电池可以放出的有效电量出现衰减趋势;在相同的放电倍率下,采用持续放电方式所能放出的电量会明显小于采用间歇放电方式所能放出的电量;持续放电条件下的电流系数也明显小于间歇放电条件下的电流系数。考虑到这一差异,在电流系数的选取时,就要充分结合用电设备的实际工作条件。4.2蓄电池端电压极值的测量充放电实验流程如图6所示。采用等效电流系数接近1的2A标准电流进行恒流间歇充放电实验,充放电时间取1h,搁置时间取2h,保持SOC每变化10%(2Ah)测量1次搁置时间段的端电压极值点,并将这些点进行曲线拟合,可以获得一条曲线;然后在充电过程中也采用类似的方法,取出每个搁置时间段的端电压极值点,根据这些点进行曲线拟合,可以获得另一条曲线;最后取这两条曲线的平均值,所得到的平均曲线即作为蓄电池的参考E-SOC对应关系。因此,本文选取了10%~80%的SOC范围,每隔10%在搁置时间段取一个端电压值,共计8个点。E-SOC关系曲线见图7。4.3预测结果分析图8为2A恒流放电7h状态下的蓄电池SOC预测结果。由图8可知,本文预测方法得到SOC曲线与理论值SOC曲线基本一致,表明本文预测方法确实能够准确地跟踪电池的真实状态。5电动势法的校正方法安时法只受蓄电池工作电流以及充放电效率的影响,因此可以弥补电动势法对电动