Jak odhadnout stav nabití?
Odhad SOC
Stav nabití (SOC) baterie je jedním z nejdůležitějších parametrů při používání baterie. Protože SOC ovlivňují faktory, jako je rychlost nabíjení/vybíjení (proud), teplota, samo-vybíjení a stárnutí, baterie během používání vykazují vysokou nelinearitu, což ztěžuje přesný odhad SOC.
Metody odhadu SOC
Běžně používanéMetody odhadu SOCzahrnují metodu experimentu s výbojem, metodu integrace v ampér{0}hodinách, metodu napětí v otevřeném -obvodu, metodu zátěžového napětí, metodu vnitřního odporu, metodu neuronové sítě a metodu Kalmanovy filtrace.
1) Metoda experimentu s výbojem. Metoda výbojového experimentu je nejspolehlivější metodou odhadu SOC. Pro trvalé vybíjení používá konstantní proud a součinem vybíjecího proudu a času je zbývající náboj. Metoda experimentu s vybíjením se často používá v laboratořích a je použitelná pro všechny baterie, má však dvě významné nevýhody: za prvé vyžaduje velké množství času; za druhé musí být přerušen provoz baterie. Metoda experimentu s vybíjením není vhodná pro elektrická vozidla v pohybu, ale lze ji použít pro údržbu baterií elektrických vozidel.
2)Ampér{1}}hodinová metoda integrace. Metoda integrace v ampér{3}}hodinách je nejběžněji používanou metodou odhadu SOC. Tato metoda má však následující problémy: nepřesnáměření prouduvede k odchylce výpočtu SOC a chyby se v průběhu času hromadí a zvětšují; je třeba zvážit účinnost nabíjení{0}}vybíjení baterie; chyby jsou větší při vysokých-teplotách nebo při prudkém kolísání baterie. Nepřesné měření proudu lze vyřešit pomocí-výkonných proudových senzorů, ale náklady se zvyšují; řešení nabíjecí-účinnosti vybíjení vyžaduje zvládnutí velkého množství experimentálních dat a stanovení empirických vzorců pro účinnost nabíjení-vybíjení. Metodu integrace v ampér{7}}hodinách lze použít pro všechny baterie elektrických vozidel. Pokud je aktuální měření přesné a existuje dostatek dat pro počáteční stav odhadu, může jít o jednoduchou a spolehlivou metodu odhadu SOC.
3)Metoda napětí otevřeného-obvodu. Napětí otevřeného obvodu baterie na konci vybití se blíží elektromotorické síle baterie. Elektromotorická síla kobaltové-kyselinové baterie je funkcí koncentrace elektrolytu, která se úměrně snižuje s vybíjením baterie, takže napětí v otevřeném-obvodu lze použít k odhadu SOC. Linearita vztahu napětí v otevřeném -obvodu versus SOC pro MH/Ni baterie a lithium-iontové baterie není tak dobrá jako u kobaltových{10}}kyselinových baterií, ale jejich odpovídající vztah lze přesto použít k odhadu SOC, zejména s lepšími výsledky na začátku a na konci nabíjení. Významnou nevýhodou metody napětí v otevřeném obvodu{12}}je to, že baterie potřebuje dlouhou dobu odpočívat, aby se napětí stabilizovalo, a trvá několik hodin nebo dokonce více než deset hodin, než se stav baterie vrátí z provozu do stability, což způsobuje určité potíže při měření; Určit, jak dlouho odpočívat, je také problém, takže tato metoda při samostatném použití je vhodná pouze pro elektrická vozidla v zaparkovaném stavu. Metoda napětí naprázdno{14}}má dobrý výkon odhadu SOC na začátku a na konci nabíjení a často se používá v kombinaci s metodou integrace v ampérhodinách.
4) Metoda zátěžového napětí. Po zahájení okamžitého vybíjení se napětí rychle změní ze stavu napětí otevřeného-obvodu do stavu napětí zátěže. Když zatěžovací proud baterie zůstává konstantní, průběh změn napětí zátěže s SOC je podobný jako u napětí naprázdno{4}}s SOC. Výhodou metody zátěžového napětí je, že dokáže odhadnout SOC baterie v reálném čase a má dobré výsledky při vybíjení konstantním-proudem. V praktických aplikacích přináší napětí akumulátoru řidiče potíže při použití zátěžového napětí. K vyřešení tohoto problému je zapotřebí matematický model údajů o napětí baterie, nezávislém dynamickém zátěžovém napětí a SOC; metoda zátěžového napětí se proto u skutečných vozidel používá jen zřídka, ale často se používá jako kritérium pro přerušení vybíjení baterie-.
5) Metoda vnitřního odporu. Vnitřní odpor baterie se dělí na střídavý vnitřní odpor a stejnosměrný vnitřní odpor, přičemž oba úzce souvisí s SOC (State of Charge). Impedance střídavého proudu baterie je přenosová funkce mezi napětím a proudem baterie, komplexní proměnná představující odpor baterie vůči střídavému proudu a měří se pomocí měřiče impedance střídavého proudu. Impedance střídavého proudu baterie je značně ovlivněna teplotou; zda jej měřit v otevřeném-obvodu po ustálení baterie nebo během nabíjení a vybíjení je sporné a ve skutečných vozidlech se používá jen zřídka. Stejnosměrný vnitřní odpor představuje odpor baterie vůči stejnosměrnému proudu, který se rovná poměru změny napětí baterie ke změně proudu za velmi krátkou dobu. Při skutečném měření se baterie nabíjí nebo vybíjí konstantním proudem, počínaje stavem rozpojeného- obvodu; rozdíl mezi napětím zátěže a napětím naprázdno-za stejnou dobu, dělený hodnotou proudu, je vnitřní odpor stejnosměrného proudu. U olověných{10}}kyselinových baterií se vnitřní odpor stejnosměrného proudu výrazně zvyšuje v pozdějších fázích vybíjení a lze jej použít k odhadu SOC baterie; kolísání stejnosměrného vnitřního odporu MH/Ni baterií a lithium-iontových baterií se liší od olověných-kyselinových baterií a je méně běžně používané. Velikost stejnosměrného vnitřního odporu je ovlivněna dobou výpočtu. Pokud je časový úsek kratší než 10 ms, lze detekovat pouze ohmický vnitřní odpor; je-li doba delší, vnitřní odpor se stává složitějším. Přesné měření vnitřního odporu jednoho článku je obtížné, což je nevýhodou metody stejnosměrného vnitřního odporu. Metoda vnitřního odporu je vhodná pro odhad stavu nabití (SOC) baterie v pozdějších fázích vybití a lze ji použít v kombinaci s metodou integrace v ampér{18}}hodinách.
6)Metoda neuronové sítě. Baterie je vysoce nelineární systém a je obtížné vytvořit přesný matematický model procesu jejího nabíjení-vybíjení. Neuronové sítě mají základní nelineární vlastnosti, paralelní strukturu a schopnost učení. Mohou vytvářet odpovídající výstupy pro externí buzení a tak simulovat dynamické charakteristiky baterie pro odhad SOC. Pro odhad SOC baterie se běžně používá typická 3vrstvá neuronová síť: počet neuronů ve vstupní a výstupní vrstvě je určen skutečnými požadavky na problém a je obecně lineární funkcí; počet neuronů ve skryté vrstvě závisí na složitosti problému a požadované přesnosti analýzy. Běžně používané vstupní proměnné pro odhad SOC baterie zahrnují napětí, proud, akumulovanou vybitou kapacitu, teplotu, vnitřní odpor a okolní teplotu. Zda je výběr vstupních proměnných neuronové sítě vhodný a zda je správný počet proměnných, přímo ovlivňuje přesnost modelu a výpočetní zátěž. Metoda neuronové sítě je použitelná pro různé baterie, její nevýhodou však je, že vyžaduje velké množství referenčních dat pro trénování a chyba v odhadu je značně ovlivněna trénovacími daty a trénovací metodou.
7)Metoda Kalmanova filtru. Základní myšlenkou teorie Kalmanových filtrů je provést optimální odhad stavu dynamického systému ve smyslu minimálního rozptylu. Při aplikaci na odhad SOC baterie je baterie považována za dynamický systém a SOC je jedním z jejích vnitřních stavů. Výzkum metody Kalmanova filtru pro odhad SOC baterie začal teprve v posledních letech. Tato metoda je vhodná pro různé baterie a ve srovnání s jinými metodami je vhodná zejména pro odhad SOC bateriových sad elektromobilů s velkými fluktuacemi proudu. Poskytuje nejen odhad SOC, ale také uvádí chybu odhadu SOC. Nevýhodou této metody však je, že algoritmus je příliš složitý a vyžaduje vysokou výpočetní kapacitu systému, takže se ještě nedostal do praktického stádia.
Prostřednictvím-hloubkového výzkumu různých metod odhadu SOC byla jako základ původně vybrána metoda integrace v ampérhodinách{1}}. Přesným měřením proudu baterie v kombinaci s metodou napětí v otevřeném-obvodu a zohledněním faktorů, jako je účinnost nabíjení-baterie, teplota, stárnutí a samo{5}}vybíjení, je dosaženo dynamického řízení baterie čistě elektrických vozidel. U čistě elektrických vozidel baterie v zásadě funguje při plném-nabití a úplném{8}}vybití, přičemž většinu nabíjecího procesu tvoří konstantní-nabíjení. Po dokončení nabíjení existuje relativně stabilní bod určení počáteční hodnoty (po dokončení nabíjení je SOC 100% nebo mírně přebitý). Pokud je účinnost nabíjení{13}}vybíjení baterie velmi vysoká (nad 95 %), lze účinnost nabíjení{15}}vybíjení přibližně rovnat 1 nebo rovné určité konstantní hodnotě. Použitím této metody pro výpočet SOC lze dosáhnout relativně dobrých výsledků. Kumulovaná chyba každého nabíjecího-cyklu vybíjení je v zásadě eliminována po dokončení dalšího nabíjení spolu s rekalibrací počáteční hodnoty SOC.
Prováděním vysoce{0}}přesných měření informací o napětí, proudu a teplotě baterie, aby byla zajištěna přesnost vstupů odhadu SOC; vytvořením efektivního modelu baterie prostřednictvím teoretické analýzy a přizpůsobení experimentálních dat; opravou SOC na konci nabíjení a vybíjení pro eliminaci nahromaděných chyb SOC; a zohledněním faktorů účinnosti vybíjení-baterie, teploty, stárnutí a účinků samovolného vybíjení-je dosaženo vysoce{3}}přesného odhadu SOC systému. Stav baterie--algoritmu odhadu nabití je znázorněn na obrázku 17-12.
(1) Metoda výpočtu počáteční hodnoty SOCPočáteční hodnota SOC se získá vynásobením SOC uloženého při vypnutí-a SOC získaného z vyhledávací tabulky teploty-OCV-SOC koeficientem souvisejícím s dobou offline systému. Počáteční hodnotu SOC je třeba přečíst při každém zapnutí systému.
(2) Výpočet hodnoty SOC jednotlivých buněk a korekce hodnoty SOC jednotlivých buněk na základě hodnoty SOHKapacita baterie se získá vyhledáním v tabulce pomocí teploty a nabíjecího proudu a kapacita baterie se opraví vyhledáním v tabulce pomocí SOH. Proud je integrován pomocí ampér{1}}hodinové metody a poté vydělen kapacitou, aby se získala hodnota změny SOC. Hodnota změny SOC se přičte k počáteční hodnotě, aby se získala hodnota SOC jednotlivé buňky.
(3) Výpočet SOC bateriePokud se systém znovu zapne, načtená počáteční hodnota SOC se považuje za SOC baterie; pokud je ve stavu vybití, bateriová sada SOC čte minimální hodnotu mezi jednotlivými články SOC; pokud je ve stavu nabíjení a nabíjení není dokončeno, bateriová sada SOC přečte maximální hodnotu SOC modulu; pokud je ve stavu nabíjení a nabíjení je dokončeno, SOC sady baterií se nastaví na 1.
(4)Metoda korekce SOC jednotlivých článků na konci nabíjení/vybíjeníPokud je systém ve stavu nabíjení a SOC baterie je větší než 0,8, systém je definován jako na konci nabíjení; pokud je systém ve stavu vybíjení a SOC baterie je menší než 0,3, systém je definován jako na konci vybíjení. Pokud je systém na konci nabíjení/vybíjení, je třeba opravit SOC. Metodou výpočtu SOC na konci nabíjení/vybíjení je získat hodnotu SOC vyhledáním v tabulce pomocí teploty, nabíjecího/vybíjecího proudu a napětí.
