Jak oszacować stan naładowania?
Szacowanie SOC
Stan naładowania (SOC) akumulatora jest jednym z najważniejszych parametrów podczas jego użytkowania. Ponieważ na współczynnik SOC wpływają takie czynniki, jak szybkość ładowania/rozładowania (prąd), temperatura, samo-rozładowanie i starzenie się, akumulatory wykazują dużą nieliniowość podczas użytkowania, co utrudnia dokładne oszacowanie SOC.
Metody estymacji SOC
Powszechnie używaneMetody estymacji SOCobejmują metodę eksperymentu z wyładowaniem, metodę całkowania-amperogodzin, metodę-napięcia obwodu otwartego, metodę napięcia obciążenia, metodę rezystancji wewnętrznej, metodę sieci neuronowej i metodę filtrowania Kalmana.
1) Metoda eksperymentu wyładowczego. Metoda eksperymentu wyładowczego jest najbardziej wiarygodną metodą szacowania SOC. Wykorzystuje prąd stały do ciągłego rozładowania, a iloczyn prądu i czasu rozładowania stanowi pozostały ładunek. Metoda eksperymentu z rozładowaniem jest często stosowana w laboratoriach i ma zastosowanie do wszystkich akumulatorów, ma jednak dwie istotne wady: po pierwsze, wymaga dużej ilości czasu; po drugie, należy przerwać pracę akumulatora. Metoda eksperymentu z rozładowaniem nie jest odpowiednia dla pojazdów elektrycznych w ruchu, ale można ją zastosować do konserwacji akumulatorów pojazdów elektrycznych.
2) Metoda całkowania w amperach-godzinach. Metoda całkowania-amperogodzin jest najczęściej stosowaną metodą szacowania SOC. Jednakże metoda ta ma następujące problemy: niedokładnośćpomiar prąduprowadzi do odchyleń w obliczeniach SOC, a błędy kumulują się z czasem i stają się większe; należy wziąć pod uwagę skuteczność ładowania-rozładowania akumulatora; błędy są większe w przypadku-wysokiej temperatury lub gwałtownych wahań poziomu naładowania baterii. Niedokładny pomiar prądu można rozwiązać, stosując-czujniki prądu o wysokiej wydajności, ale wiąże się to ze wzrostem kosztów; ustalenie efektywności ładowania-rozładowania wymaga opanowania dużej ilości danych eksperymentalnych i ustalenia wzorów empirycznych na wydajność-rozładowania. Metodę całkowania-amperogodzin można stosować w przypadku wszystkich akumulatorów pojazdów elektrycznych. Jeśli bieżący pomiar jest dokładny i istnieje wystarczająca ilość danych dla stanu estymacji początkowej, może to być prosta i niezawodna metoda estymacji SOC.
3) Metoda-napięcia obwodu otwartego. Napięcie-w obwodzie otwartym akumulatora pod koniec rozładowania jest bliskie sile elektromotorycznej akumulatora. Siła elektromotoryczna-akumulatora kwasowo-kobaltowego jest funkcją stężenia elektrolitu, które zmniejsza się proporcjonalnie do rozładowywania akumulatora, zatem do oszacowania SOC można wykorzystać napięcie-w obwodzie otwartym. Liniowość napięcia-w obwodzie otwartym a zależność SOC dla akumulatorów MH/Ni i akumulatorów litowo-jonowych-nie jest tak dobra jak w przypadku akumulatorów kwasowo-kobaltowych-, ale ich odpowiednia zależność nadal może być wykorzystana do oszacowania SOC, szczególnie z lepszymi wynikami na początku i na końcu ładowania. Istotną wadą metody-napięcia obwodu otwartego jest to, że akumulator musi długo odpoczywać, aby ustabilizować napięcie, a powrót stanu akumulatora do stanu stabilnego zajmuje kilka, a nawet kilkanaście godzin, co powoduje pewne trudności w pomiarze; określenie długości odpoczynku również stanowi problem, dlatego też metoda ta stosowana samodzielnie jest odpowiednia tylko w przypadku pojazdów elektrycznych w stanie zaparkowanym. Metoda napięcia w obwodzie otwartym zapewnia dobrą wydajność szacowania SOC na początku i na końcu ładowania i jest często stosowana w połączeniu z metodą całkowania amperogodzin.
4) Metoda napięcia obciążenia. W chwili rozpoczęcia rozładowywania napięcie gwałtownie zmienia się ze stanu-obwodu otwartego do stanu napięcia obciążenia. Gdy prąd obciążenia akumulatora pozostaje stały, wzór zmian napięcia obciążenia w przypadku SOC jest podobny do napięcia w obwodzie otwartym w przypadku SOC. Zaletą metody napięcia obciążenia jest to, że pozwala ona oszacować SOC pakietu akumulatorów w czasie rzeczywistym i daje dobre wyniki podczas rozładowywania-prądem stałym. W zastosowaniach praktycznych napięcie akumulatora sterownika utrudnia wykorzystanie napięcia obciążenia. Aby rozwiązać ten problem, potrzebny jest model matematyczny danych o napięciu akumulatora, niezależnym napięciu obciążenia dynamicznego i SOC; dlatego metoda napięcia obciążenia jest rzadko stosowana w rzeczywistych pojazdach, ale często służy jako kryterium odcięcia-rozładowania akumulatora.
5) Metoda oporu wewnętrznego. Rezystancja wewnętrzna akumulatora dzieli się na rezystancję wewnętrzną prądu przemiennego i rezystancję wewnętrzną prądu stałego, przy czym oba są ściśle powiązane ze stanem naładowania (SOC). Impedancja prądu przemiennego akumulatora to funkcja przenoszenia między napięciem i prądem akumulatora, zmienna złożona reprezentująca rezystancję akumulatora na prąd przemienny, mierzona za pomocą miernika impedancji prądu przemiennego. Na impedancję prądu przemiennego akumulatora duży wpływ ma temperatura; to, czy mierzyć go w stanie-rozwartego obwodu, po osiadaniu akumulatora, czy podczas ładowania i rozładowywania, jest kontrowersyjne i rzadko stosowane w rzeczywistych pojazdach. Rezystancja wewnętrzna prądu stałego reprezentuje rezystancję akumulatora na prąd stały, równą stosunkowi zmiany napięcia akumulatora do zmiany prądu w bardzo krótkim czasie. W rzeczywistym pomiarze akumulator jest ładowany lub rozładowywany stałym prądem, zaczynając od-stanu obwodu otwartego; różnica między napięciem obciążenia a napięciem-w obwodzie otwartym w tym samym okresie, podzielona przez wartość prądu, stanowi rezystancję wewnętrzną prądu stałego. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych rezystancja wewnętrzna prądu stałego znacznie wzrasta na późniejszych etapach rozładowania i można ją wykorzystać do oszacowania SOC akumulatora; zmiana rezystancji wewnętrznej prądu stałego w akumulatorach MH/Ni i litowo-jonowych różni się od zmian w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych i jest rzadziej stosowana. Na wielkość rezystancji wewnętrznej prądu stałego wpływa okres obliczeniowy. Jeśli okres czasu jest krótszy niż 10 ms, można wykryć tylko omową rezystancję wewnętrzną; jeśli okres czasu jest dłuższy, opór wewnętrzny staje się bardziej złożony. Dokładny pomiar rezystancji wewnętrznej pojedynczego ogniwa jest trudny, co jest wadą metody rezystancji wewnętrznej prądu stałego. Metoda rezystancji wewnętrznej jest odpowiednia do szacowania stanu naładowania (SOC) akumulatora na późniejszych etapach rozładowania i może być stosowana w połączeniu z metodą całkowania amperogodzin.
6) Metoda sieci neuronowych. Bateria jest układem wysoce nieliniowym i trudno jest ustalić dokładny model matematyczny procesu jej ładowania-rozładowania. Sieci neuronowe mają fundamentalną charakterystykę nieliniową, strukturę równoległą i zdolność uczenia się. Mogą wytwarzać odpowiednie sygnały wyjściowe dla wzbudzeń zewnętrznych, a tym samym symulować charakterystykę dynamiczną akumulatora w celu oszacowania SOC. Do oszacowania SOC baterii powszechnie stosuje się typową 3-warstwową sieć neuronową: liczba neuronów w warstwie wejściowej i wyjściowej jest określana na podstawie rzeczywistych wymagań problemu i ogólnie jest funkcją liniową; liczba neuronów w warstwie ukrytej zależy od złożoności problemu i wymaganej dokładności analizy. Powszechnie używane zmienne wejściowe do szacowania SOC akumulatora obejmują napięcie, prąd, skumulowaną pojemność rozładowania, temperaturę, rezystancję wewnętrzną i temperaturę otoczenia. Właściwy dobór zmiennych wejściowych sieci neuronowej oraz odpowiednia liczba zmiennych wpływają bezpośrednio na dokładność modelu i obciążenie obliczeniowe. Metoda sieci neuronowych ma zastosowanie do różnych akumulatorów, jednak jej wadą jest to, że wymaga dużej ilości danych referencyjnych do uczenia, a na błąd estymacji duży wpływ mają dane uczące i metoda uczenia.
7) Metoda filtra Kalmana. Podstawową ideą teorii filtrów Kalmana jest dokonanie optymalnego oszacowania stanu układu dynamicznego w sensie minimalnej wariancji. W zastosowaniu do szacowania SOC akumulatora, akumulator jest uważany za układ dynamiczny, a SOC jest jednym z jego stanów wewnętrznych. Badania nad metodą filtru Kalmana do szacowania SOC akumulatorów rozpoczęły się dopiero w ostatnich latach. Metoda ta jest odpowiednia dla różnych akumulatorów i, w porównaniu z innymi metodami, jest szczególnie odpowiednia do szacowania SOC pakietów akumulatorów pojazdów elektrycznych przy dużych wahaniach prądu. Zapewnia nie tylko oszacowanie SOC, ale także podaje błąd oszacowania SOC. Wadą tej metody jest jednak to, że algorytm jest zbyt skomplikowany i wymaga dużych możliwości obliczeniowych systemu, dlatego nie wszedł jeszcze w fazę praktyczną.
W wyniku-dokładnych badań nad różnymi metodami szacowania SOC początkowo jako podstawę wybrano metodę całkowania-amperogodzin. Dzięki dokładnemu pomiarowi prądu akumulatora w połączeniu z metodą-napięcia obwodu otwartego i uwzględnieniem takich czynników, jak wydajność-ładowania akumulatora, temperatura, starzenie się i samo-rozładowanie, można osiągnąć dynamiczne zarządzanie mocą akumulatora pojazdów wyłącznie elektrycznych. W przypadku pojazdów elektrycznych akumulator zasadniczo działa w stanie pełnego-naładowania i pełnego-rozładowania, przy czym większość procesu ładowania to ładowanie-prądem stałym. Po zakończeniu ładowania następuje stosunkowo stabilny punkt ustalenia wartości początkowej (po zakończeniu ładowania SOC wynosi 100% lub jest lekko przeładowany). Jeśli skuteczność-rozładowywania akumulatora jest bardzo wysoka (ponad 95%), skuteczność-rozładowywania można w przybliżeniu przyjąć jako 1 lub być równą pewnej stałej wartości. Stosując tę metodę do obliczania SOC można osiągnąć stosunkowo dobre wyniki. Skumulowany błąd każdego cyklu ładowania-rozładowania jest zasadniczo eliminowany po zakończeniu następnego ładowania wraz z ponowną kalibracją początkowej wartości SOC.
Wykonując-wysoce precyzyjne pomiary napięcia, prądu i temperatury akumulatora, aby zapewnić dokładność danych wejściowych szacowania SOC; poprzez ustalenie efektywnego modelu baterii poprzez analizę teoretyczną i dopasowanie danych eksperymentalnych; korygując SOC na końcu ładowania i rozładowywania, aby wyeliminować skumulowane błędy SOC; a biorąc pod uwagę współczynniki wydajności-rozładowania akumulatora, temperaturę, starzenie się i efekty-samorozładowania, osiąga się wysoką-precyzyjność oszacowania SOC systemu. Algorytm szacowania stanu-akumulatora- pokazano na rysunku 17.12.
(1) Metoda obliczania wartości początkowej SOCWartość początkową SOC uzyskuje się poprzez pomnożenie wartości SOC zapisanej przy-zasilaniu i wartości SOC uzyskanej z tabeli przeglądowej temperatury-OCV-SOC przez współczynnik związany z czasem wyłączenia systemu. Wartość początkową SOC należy odczytać przy każdym włączeniu systemu.
(2) Obliczanie wartości SOC poszczególnych komórek i korekta wartości SOC poszczególnych komórek na podstawie wartości SOHPojemność akumulatora oblicza się, przeglądając tabelę na podstawie temperatury i prądu ładowania, a pojemność akumulatora koryguje się, przeglądając tabelę za pomocą SOH. Prąd całkuje się metodą amperogodzin-, a następnie dzieli przez pojemność, aby uzyskać wartość zmiany SOC. Wartość zmiany SOC jest dodawana do wartości początkowej w celu uzyskania wartości SOC pojedynczej komórki.
(3) Obliczanie SOC pakietu akumulatorówJeżeli system zostanie ponownie włączony, odczytana wartość początkowa SOC zostanie przyjęta jako SOC pakietu akumulatorów; jeśli jest w stanie rozładowania, SOC zestawu akumulatorów odczytuje minimalną wartość spośród SOC poszczególnych ogniw; jeżeli jest w stanie ładowania i ładowanie nie zostało zakończone, SOC pakietu akumulatorów odczytuje maksymalną wartość SOC modułu; jeśli jest w stanie ładowania i ładowanie zostanie zakończone, wartość SOC zestawu akumulatorów wynosi 1.
(4)Indywidualna metoda korekcji SOC ogniwa na końcu ładowania/rozładowaniaJeżeli system jest w stanie ładowania, a wartość SOC pakietu akumulatorów jest większa niż 0,8, określa się, że system znajduje się na końcu ładowania; jeżeli system jest w stanie rozładowywania, a współczynnik SOC pakietu akumulatorów jest mniejszy niż 0,3, system definiuje się jako znajdujący się na końcu procesu rozładowywania. Jeśli system znajduje się na końcu ładowania/rozładowania, należy skorygować SOC. Metoda obliczania SOC na koniec ładowania/rozładowania polega na uzyskaniu wartości SOC poprzez sprawdzenie tabeli pod kątem temperatury, prądu ładowania/rozładowania i napięcia.
