Πώς να εκτιμήσετε την κατάσταση χρέωσης;
Εκτίμηση SOC
Η κατάσταση φόρτισης (SOC) μιας μπαταρίας είναι μια από τις πιο σημαντικές παραμέτρους κατά τη χρήση της μπαταρίας. Επειδή το SOC επηρεάζεται από παράγοντες όπως ο ρυθμός φόρτισης/εκφόρτισης (ρεύμα), η θερμοκρασία, η αυτο-αποφόρτιση και η γήρανση, οι μπαταρίες παρουσιάζουν υψηλή μη γραμμικότητα κατά τη χρήση, καθιστώντας δύσκολη την ακριβή εκτίμηση του SOC.
Μέθοδοι εκτίμησης SOC
Συνήθως χρησιμοποιείταιΜέθοδοι εκτίμησης SOCπεριλαμβάνουν τη μέθοδο πειράματος εκφόρτισης, τη μέθοδο ολοκλήρωσης αμπέρ-ώρας, τη μέθοδο τάσης ανοιχτού-κυκλώματος, τη μέθοδο τάσης φορτίου, τη μέθοδο εσωτερικής αντίστασης, τη μέθοδο νευρωνικού δικτύου και τη μέθοδο φιλτραρίσματος Kalman.
1) Μέθοδος πειράματος εκκένωσης. Η μέθοδος πειράματος εκφόρτισης είναι η πιο αξιόπιστη μέθοδος εκτίμησης SOC. Χρησιμοποιεί σταθερό ρεύμα για συνεχή εκφόρτιση και το γινόμενο του ρεύματος και του χρόνου εκφόρτισης είναι το υπόλοιπο φορτίο. Η μέθοδος πειράματος εκφόρτισης χρησιμοποιείται συχνά σε εργαστήρια και εφαρμόζεται σε όλες τις μπαταρίες, αλλά έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα: πρώτον, απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα. Δεύτερον, η λειτουργία της μπαταρίας πρέπει να διακοπεί. Η μέθοδος πειράματος εκφόρτισης δεν είναι κατάλληλη για ηλεκτρικά οχήματα σε κίνηση, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συντήρηση μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.
2)Μέθοδος ολοκλήρωσης αμπέρ-ώρας. Η μέθοδος ολοκλήρωσης αμπέρ-ώρας είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος εκτίμησης SOC. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει τα ακόλουθα προβλήματα: ανακριβήςτρέχουσα μέτρησηοδηγεί σε απόκλιση υπολογισμού SOC και τα σφάλματα συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου και γίνονται μεγαλύτερα. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η απόδοση φόρτισης-απόρριψης της μπαταρίας. τα σφάλματα είναι μεγαλύτερα σε συνθήκες υψηλής- θερμοκρασίας ή όταν η μπαταρία παρουσιάζει βίαιες διακυμάνσεις. Η ανακριβής μέτρηση ρεύματος μπορεί να επιλυθεί με τη χρήση αισθητήρων ρεύματος υψηλής απόδοσης-, αλλά το κόστος αυξάνεται. Η επίλυση της απόδοσης φόρτισης-προϋποθέτει τον έλεγχο ενός μεγάλου όγκου πειραματικών δεδομένων και τη δημιουργία εμπειρικών τύπων για την απόδοση φόρτισης-απόρριψης. Η μέθοδος ενσωμάτωσης αμπέρ-ώρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων. Εάν η τρέχουσα μέτρηση είναι ακριβής και υπάρχουν επαρκή δεδομένα για την αρχική κατάσταση εκτίμησης, μπορεί να είναι μια απλή και αξιόπιστη μέθοδος εκτίμησης SOC.
3)Μέθοδος ανοιχτής- τάσης κυκλώματος. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος-μιας μπαταρίας στο τέλος της εκφόρτισης είναι κοντά στην ηλεκτροκινητική δύναμη της μπαταρίας. Η ηλεκτροκινητική δύναμη μιας μπαταρίας-οξέος κοβαλτίου είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη, η οποία μειώνεται αναλογικά με την εκφόρτιση της μπαταρίας, επομένως η τάση ανοιχτού-κυκλώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του SOC. Η γραμμικότητα της σχέσης τάσης ανοιχτού-κυκλώματος έναντι SOC για τις μπαταρίες MH/Ni και τις μπαταρίες ιόντων λιθίου-δεν είναι τόσο καλή όσο αυτή των μπαταριών κοβαλτίου{10}οξέος, αλλά η αντίστοιχη σχέση τους μπορεί ακόμα να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του SOC, ειδικά με καλύτερα αποτελέσματα στην αρχή και στο τέλος της φόρτισης. Ένα σημαντικό μειονέκτημα της μεθόδου τάσης ανοιχτού{12}}κυκλώματος είναι ότι η μπαταρία χρειάζεται να ξεκουραστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα για να σταθεροποιηθεί η τάση και χρειάζονται αρκετές ώρες ή και περισσότερες από δέκα ώρες για να επανέλθει η κατάσταση της μπαταρίας από τη λειτουργία στη σταθερότητα, γεγονός που προκαλεί ορισμένες δυσκολίες στη μέτρηση. Ο καθορισμός της διάρκειας ανάπαυσης είναι επίσης πρόβλημα, επομένως αυτή η μέθοδος όταν χρησιμοποιείται μόνη της είναι κατάλληλη μόνο για ηλεκτρικά οχήματα σε κατάσταση στάθμευσης. Η μέθοδος ανοικτού{14}}κυκλώματος τάσης έχει καλή απόδοση εκτίμησης SOC στην αρχή και στο τέλος της φόρτισης και χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με τη μέθοδο ολοκλήρωσης αμπέρ-ώρας.
4)Μέθοδος τάσης φορτίου. Κατά την έναρξη της στιγμιαίας εκφόρτισης, η τάση αλλάζει γρήγορα από την κατάσταση τάσης ανοιχτού-κυκλώματος στην κατάσταση τάσης φορτίου. Όταν το ρεύμα φορτίου της μπαταρίας παραμένει σταθερό, το μοτίβο διακύμανσης της τάσης φορτίου με το SOC είναι παρόμοιο με αυτό της τάσης ανοιχτού κυκλώματος-με το SOC. Το πλεονέκτημα της μεθόδου τάσης φορτίου είναι ότι μπορεί να εκτιμήσει το SOC της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο και έχει καλά αποτελέσματα κατά τη διάρκεια σταθερής-εκφόρτισης ρεύματος. Σε πρακτικές εφαρμογές, η τάση της μπαταρίας του οδηγού δημιουργεί δυσκολίες στη χρήση της τάσης φορτίου. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, απαιτείται ένα μαθηματικό μοντέλο δεδομένων τάσης μπαταρίας, ανεξάρτητης τάσης δυναμικού φορτίου και SOC. Ως εκ τούτου, η μέθοδος της τάσης φορτίου εφαρμόζεται σπάνια σε πραγματικά οχήματα, αλλά χρησιμοποιείται συχνά ως κριτήριο για τη διακοπή εκφόρτισης-φόρτισης της μπαταρίας.
5) Μέθοδος εσωτερικής αντίστασης. Η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας χωρίζεται σε εσωτερική αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος και εσωτερική αντίσταση συνεχούς ρεύματος, οι οποίες σχετίζονται στενά με το SOC (κατάσταση φόρτισης). Η σύνθετη αντίσταση μπαταρίας AC είναι μια συνάρτηση μεταφοράς μεταξύ της τάσης και του ρεύματος της μπαταρίας, μια σύνθετη μεταβλητή που αντιπροσωπεύει την αντίσταση της μπαταρίας στο ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος και μετράται χρησιμοποιώντας ένα μετρητή σύνθετης αντίστασης AC. Η αντίσταση AC της μπαταρίας επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Το αν θα μετρηθεί σε κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος-μετά την ηρεμία της μπαταρίας ή κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης είναι αμφιλεγόμενο και σπάνια χρησιμοποιείται σε πραγματικά οχήματα. Η εσωτερική αντίσταση DC αντιπροσωπεύει την αντίσταση της μπαταρίας στο ρεύμα συνεχούς ρεύματος, ίση με την αναλογία της αλλαγής της τάσης της μπαταρίας προς τη μεταβολή του ρεύματος σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Στην πραγματική μέτρηση, η μπαταρία φορτίζεται ή αποφορτίζεται με σταθερό ρεύμα ξεκινώντας από μια κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος-. η διαφορά μεταξύ της τάσης φορτίου και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος κατά την ίδια χρονική περίοδο, διαιρούμενη με την τιμή ρεύματος, είναι η εσωτερική αντίσταση DC. Για μπαταρίες μολύβδου{10}}οξέος, η εσωτερική αντίσταση DC αυξάνεται σημαντικά στα τελευταία στάδια εκφόρτισης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του SOC της μπαταρίας. η διακύμανση της εσωτερικής αντίστασης DC των μπαταριών MH/Ni και των μπαταριών ιόντων λιθίου-διαφέρει από αυτή των μπαταριών μολύβδου-οξέος και χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά. Το μέγεθος της εσωτερικής αντίστασης DC επηρεάζεται από τη χρονική περίοδο υπολογισμού. Εάν η χρονική περίοδος είναι μικρότερη από 10 ms, μπορεί να ανιχνευθεί μόνο η ωμική εσωτερική αντίσταση. Εάν η χρονική περίοδος είναι μεγαλύτερη, η εσωτερική αντίσταση γίνεται πιο περίπλοκη. Η ακριβής μέτρηση της εσωτερικής αντίστασης ενός μόνο στοιχείου είναι δύσκολη, γεγονός που αποτελεί μειονέκτημα της μεθόδου εσωτερικής αντίστασης DC. Η μέθοδος εσωτερικής αντίστασης είναι κατάλληλη για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης (SOC) μιας μπαταρίας στα μεταγενέστερα στάδια εκφόρτισης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με τη μέθοδο ολοκλήρωσης αμπέρ{18}}ώρας.
6)Μέθοδος νευρωνικού δικτύου. Μια μπαταρία είναι ένα εξαιρετικά μη γραμμικό σύστημα και είναι δύσκολο να δημιουργηθεί ένα ακριβές μαθηματικό μοντέλο για τη διαδικασία φόρτισής της-. Τα νευρωνικά δίκτυα διαθέτουν θεμελιώδη μη γραμμικά χαρακτηριστικά, παράλληλη δομή και ικανότητα μάθησης. Μπορούν να παράγουν αντίστοιχες εξόδους για εξωτερικές διεγέρσεις και έτσι να προσομοιώσουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας για την εκτίμηση του SOC. Ένα τυπικό νευρωνικό δίκτυο 3 επιπέδων χρησιμοποιείται συνήθως για την εκτίμηση του SOC της μπαταρίας: ο αριθμός των νευρώνων στα επίπεδα εισόδου και εξόδου καθορίζεται από τις πραγματικές απαιτήσεις του προβλήματος και είναι γενικά μια γραμμική συνάρτηση. Ο αριθμός των νευρώνων στο κρυφό στρώμα εξαρτάται από την πολυπλοκότητα του προβλήματος και την απαιτούμενη ακρίβεια ανάλυσης. Οι μεταβλητές εισόδου που χρησιμοποιούνται συνήθως για την εκτίμηση του SOC της μπαταρίας περιλαμβάνουν την τάση, το ρεύμα, τη συσσωρευμένη χωρητικότητα εκφόρτισης, τη θερμοκρασία, την εσωτερική αντίσταση και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το εάν η επιλογή των μεταβλητών εισόδου του νευρωνικού δικτύου είναι κατάλληλη και εάν ο αριθμός των μεταβλητών είναι σωστός επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια του μοντέλου και το υπολογιστικό φορτίο. Η μέθοδος του νευρωνικού δικτύου είναι εφαρμόσιμη σε διάφορες μπαταρίες, αλλά το μειονέκτημά της είναι ότι απαιτεί μεγάλο όγκο δεδομένων αναφοράς για εκπαίδευση και το σφάλμα εκτίμησης επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τα δεδομένα εκπαίδευσης και τη μέθοδο εκπαίδευσης.
7) Μέθοδος φίλτρου Kalman. Η βασική ιδέα της θεωρίας του φίλτρου Kalman είναι να κάνει τη βέλτιστη εκτίμηση της κατάστασης ενός δυναμικού συστήματος με την έννοια της ελάχιστης διακύμανσης. Όταν εφαρμόζεται στην εκτίμηση SOC της μπαταρίας, η μπαταρία θεωρείται ως ένα δυναμικό σύστημα και το SOC είναι μία από τις εσωτερικές της καταστάσεις. Η έρευνα για τη μέθοδο φίλτρου Kalman για την εκτίμηση του SOC της μπαταρίας ξεκίνησε μόλις τα τελευταία χρόνια. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για διάφορες μπαταρίες και, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την εκτίμηση SOC πακέτων μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων με μεγάλες διακυμάνσεις ρεύματος. Δεν παρέχει μόνο την εκτίμηση SOC αλλά δίνει επίσης το σφάλμα εκτίμησης του SOC. Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι ο αλγόριθμος είναι υπερβολικά πολύπλοκος και απαιτεί υψηλή υπολογιστική ικανότητα του συστήματος, επομένως δεν έχει εισέλθει ακόμη στο πρακτικό στάδιο.
Μέσω-εις βάθος έρευνας για διαφορετικές μεθόδους εκτίμησης SOC, η μέθοδος ολοκλήρωσης αμπέρ-ώρας επιλέχθηκε αρχικά ως βάση. Με την ακριβή μέτρηση του ρεύματος της μπαταρίας, σε συνδυασμό με τη μέθοδο ανοιχτής-τάσης κυκλώματος και λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως η φόρτιση της μπαταρίας-η απόδοση εκφόρτισης, η θερμοκρασία, η γήρανση και η αυτο{5}}αποφόρτιση, επιτυγχάνεται δυναμική διαχείριση της μπαταρίας ισχύος αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων. Για αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα, η μπαταρία λειτουργεί βασικά σε πλήρη-φόρτιση και πλήρη-κατάσταση αποφόρτισης, με το μεγαλύτερο μέρος της διαδικασίας φόρτισης να είναι σταθερή-τρέχουσα φόρτιση. Μετά την ολοκλήρωση της φόρτισης, υπάρχει ένα σχετικά σταθερό σημείο αρχικής τιμής προσδιορισμού (όταν ολοκληρωθεί η φόρτιση, το SOC είναι 100% ή ελαφρώς υπερφορτισμένο). Εάν η απόδοση φόρτισης{13}}της μπαταρίας είναι πολύ υψηλή (πάνω από 95%), η απόδοση φόρτισης{15}}μπορεί να προσεγγιστεί ως 1 ή ίση με μια συγκεκριμένη σταθερή τιμή. Η χρήση αυτής της μεθόδου για τον υπολογισμό του SOC μπορεί να επιτύχει σχετικά καλά αποτελέσματα. Το συσσωρευμένο σφάλμα κάθε κύκλου εκφόρτισης{19}}φόρτισης ουσιαστικά εξαλείφεται όταν ολοκληρωθεί η επόμενη φόρτιση μαζί με την επαναβαθμονόμηση της αρχικής τιμής SOC.
Εκτελώντας μετρήσεις υψηλής με τη δημιουργία ενός αποτελεσματικού μοντέλου μπαταρίας μέσω θεωρητικής ανάλυσης και προσαρμογής πειραματικών δεδομένων. Διορθώνοντας το SOC στο τέλος της φόρτισης και εκφόρτισης για την εξάλειψη συσσωρευμένων σφαλμάτων SOC. και λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες απόδοσης της φόρτισης της μπαταρίας-, τη θερμοκρασία, τη γήρανση και τα αποτελέσματα της αυτο-αποφόρτισης, επιτυγχάνεται εκτίμηση υψηλής-ακρίβειας του SOC συστήματος. Ο αλγόριθμος εκτίμησης της κατάστασης της μπαταρίας-της-φόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 17-12.
(1) Μέθοδος υπολογισμού αρχικής τιμής SOCΗ αρχική τιμή SOC λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας το SOC που είναι αποθηκευμένο στην τροφοδοσία-απενεργοποιημένο και το SOC που λαμβάνεται από τον πίνακα αναζήτησης θερμοκρασίας-OCV{-SOC με έναν συντελεστή που σχετίζεται με τον χρόνο εκτός σύνδεσης του συστήματος. Η αρχική τιμή SOC πρέπει να διαβάζεται κάθε φορά που ενεργοποιείται το σύστημα.
(2) Υπολογισμός της τιμής SOC μεμονωμένων κελιών και διόρθωση της τιμής SOC μεμονωμένων κελιών με βάση την τιμή SOHΗ χωρητικότητα της μπαταρίας λαμβάνεται κοιτάζοντας τον πίνακα χρησιμοποιώντας θερμοκρασία και ρεύμα φόρτισης και η χωρητικότητα της μπαταρίας διορθώνεται αναζητώντας τον πίνακα χρησιμοποιώντας SOH. Το ρεύμα ενσωματώνεται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αμπέρ-ώρας και στη συνέχεια διαιρείται με την ικανότητα λήψης της τιμής αλλαγής SOC. Η τιμή αλλαγής SOC προστίθεται στην αρχική τιμή για να ληφθεί η τιμή SOC μεμονωμένου κελιού.
(3) Υπολογισμός μπαταρίας SOCΕάν το σύστημα ενεργοποιηθεί ξανά, η αρχική τιμή SOC που διαβάστηκε λαμβάνεται ως SOC της μπαταρίας. εάν βρίσκεται σε κατάσταση εκφόρτισης, το SOC της μπαταρίας διαβάζει την ελάχιστη τιμή μεταξύ των επιμέρους SOC κυψελών. Εάν βρίσκεται σε κατάσταση φόρτισης και η φόρτιση δεν έχει ολοκληρωθεί, το SOC της μπαταρίας διαβάζει τη μέγιστη τιμή SOC της μονάδας. εάν βρίσκεται σε κατάσταση φόρτισης και η φόρτιση έχει ολοκληρωθεί, το SOC της μπαταρίας έχει ρυθμιστεί στο 1.
(4)Μέθοδος διόρθωσης SOC μεμονωμένων κυψελών στο τέλος της φόρτισης/εκφόρτισηςΕάν το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση φόρτισης και το SOC της μπαταρίας είναι μεγαλύτερο από 0,8, το σύστημα ορίζεται ότι βρίσκεται στο τέλος της φόρτισης. εάν το σύστημα είναι σε κατάσταση εκφόρτισης και το SOC της μπαταρίας είναι μικρότερο από 0,3, το σύστημα ορίζεται ότι βρίσκεται στο τέλος της εκφόρτισης. Εάν το σύστημα βρίσκεται στο τέλος της φόρτισης/εκφόρτισης, το SOC πρέπει να διορθωθεί. Η μέθοδος υπολογισμού SOC στο τέλος της φόρτισης/εκφόρτισης είναι να λάβετε την τιμή SOC αναζητώντας τον πίνακα χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία, το ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης και την τάση.
