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蓄电池剩余电量监测方法研究、
蓄电池剩余电量监测方法研究
张肖培 1507811499,机电学院经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源,应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域,社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。关键词OC,全称是State of Charge,荷电状态,也叫剩余电量,代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值,常用百分数表示。
其中为电池当前荷电状态;
—蓄电池实际完全充满电的容量;
—蓄电池放出电量。充满电时,=l;完全放电时,=0。
剩余容量可通过下式获得:
其中必须通过传统的离线放电实验或核对放电法求出来。
下面分别介绍目前基于电池电参数的容量预测方法。
2.2.内阻法
2.2.1内阻测量法原理
蓄电池的内阻与电荷程度之间有较高的相关性(0.88左右),通过测量电池内阻可较准确的预测剩余电量。并且由于蓄电池完全充电 (充满) 和完全放电 (放完) 时 ,其内阻相差 (2~4 ) 倍左右 ,因此用内阻法预测蓄电池剩余电量有较高的精度。对在线使用的蓄电池来说,内阻法还有的优点在于,此方法对系统影响最小,并可在电池的整个使用期内精确测量。因此内阻法正逐步得到实际应用。接下来介绍内阻法的原理过程:
电池等效模型:
蓄电池交流等效阻抗模型
图中 、—正、负电极的极化电阻;
、—为正、负电极的极化电容;
—为引线电感;
—为电池欧姆电阻
蓄电池欧姆电阻表征了电池的荷电程度。为了简化测量 ,通常从等效阻抗中仅分离纯电阻R (R由、、组成),R和之间呈线性关系。故可用R间接的表征电池荷电程度。[15]
2.2.2 四线法内阻测量
蓄电池的内阻很小,一般为几微欧至几毫欧,因此测量线的阻抗就变得不可忽略,为此将驱动电流回路和感应电压电路分开,采用四线法测量,原理如下图所示,图中为取样电阻:
内阻四线测量原理图
测量蓄电池内阻的方法是:在蓄电池两端施加一恒定的电流源,然后检测电池端电压以及和两者的夹角 ,三者之间的关系如下图所示。
有图知:
R即为需要获取的蓄电池内阻。
蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图所示
蓄电池内阻与剩余电量之间的关系
目前此方法的具体实施办法是:给蓄电池充满电,然后以常用的放电率对电池 放电,记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕 (密度 降到正常情况下需要充电的密度值),就可获得完整的放电曲线 ,即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。
从理论上说,只要调整电流源幅度,内阻法可适用于各种容量的蓄电池测量。因此用内阻法来预测蓄电池的剩余电量具有良好实用性。但是内阻法有自己的缺陷,内阻法是根据蓄电池内阻与蓄电池的容量有着更为确定的关系,但通常必须先测出某一规格和型号蓄电池的内阻一容量曲线,然后采用比较法通过测量内阻得知同型号、同规格蓄电池的剩余容量,通用性比较差,测量过程也相当复杂。
2.3安时(AH)积分法
安时积分法也叫恒电流放电法,是根据SOC定义,通过电流对时间的积分来得到使用的电量,是应用在电池管理中最广的方法。从刻到时刻电量变化为:
从而得到:
描述,其中—初始t时刻电池的;
—时刻电池的;
—电池额定容量;
—电流瞬时值,放电取正,充电取负;
—从到t时刻的变化量。
以上描述的只是理想状况下估算的计算式,实际计算中还有一些因素需要考虑。[16]首先需要考虑不同电流的影响:在不同的充电(放电)电流条件下,电池组可以充入(放出)的有效容量是不同的,即充放电效率问题。其次需要考虑电池组自放电及健康状况的影响:电池组即使在静置过程中也会有能量损失,即电池组的自放电影响,而且电池组的充放电循环寿命是有限的,在使用过程中电池组逐渐老化,其有效容量也会逐渐减少。最后还需要考虑温度的影响:电池组的充放电过程是一个化学反应过程,必然受温度的影响,不同温度条件下电池组有效容量会发生变化,也会影响电池组的充放电倍率,因此也需要对温度因素进行修正。
基于上述因素的考虑,可以得到更准确的SOC估算公式:
式中: —电池组老化系数;
—充放电倍率系数;
—温度系数。
基于安时法的蓄电池剩余电量测试技术能够在不同放电电流和不同温度环境条件下对蓄电池电荷容量进行动态测试,具有很好的通用性。然而安时法估算电池组SOC还存在一些问题:由于安时法估算SOC是一个纯积分环节,无法确定SOC初值,如果初始SOC有误差,那么这个误差将无法消除。而且电流检测也会存在误差,这个误差会随着积分变得越来越大,最后将不可忽略。
2.3卡尔曼滤波法
卡尔曼滤波是60年代发展起来的一种现代滤波方法,它的一个重要作用在于系统的状态估计。当噪声是正态分布时,这种滤波给出了状态的最小方差估计,当不是正态情况
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