Kako procijeniti stanje napunjenosti?
SOC procjena
Stanje napunjenosti (SOC) baterije jedan je od najvažnijih parametara tijekom korištenja baterije. Budući da na SOC utječu čimbenici kao što su brzina punjenja/pražnjenja (struja), temperatura, samo-pražnjenje i starenje, baterije pokazuju visoku nelinearnost tijekom upotrebe, što otežava točnu procjenu SOC-a.
Metode procjene SOC
Uobičajeno korištenMetode procjene SOCuključuju metodu eksperimenta pražnjenja, metodu integracije amper-sata, metodu napona otvorenog-kruga, metodu napona opterećenja, metodu unutarnjeg otpora, metodu neuronske mreže i metodu Kalmanova filtriranja.
1) Eksperimentalna metoda pražnjenja. Metoda eksperimenta pražnjenja je najpouzdanija metoda procjene SOC. Za kontinuirano pražnjenje koristi konstantnu struju, a umnožak struje pražnjenja i vremena je preostali naboj. Metoda eksperimenta s pražnjenjem često se koristi u laboratorijima i primjenjiva je na sve baterije, ali ima dva značajna nedostatka: prvo, zahtijeva veliku količinu vremena; drugo, mora se prekinuti rad baterije. Metoda eksperimenta s pražnjenjem nije prikladna za električna vozila u pokretu, ali se može koristiti za održavanje baterija električnih vozila.
2) Metoda integracije amper-sata. Metoda integracije amper-sata najčešće je korištena metoda procjene SOC-a. Međutim, ova metoda ima sljedeće probleme: netočnamjerenje strujedovodi do odstupanja proračuna SOC-a, a pogreške se s vremenom gomilaju i postaju veće; mora se uzeti u obzir učinkovitost punjenja-pražnjenja baterije; pogreške su veće u uvjetima visoke-temperature ili kada baterija naglo oscilira. Netočno mjerenje struje može se riješiti korištenjem visoko-strujnih senzora, ali troškovi se povećavaju; rješavanje učinkovitosti naboja-pražnjenja zahtijeva ovladavanje velikom količinom eksperimentalnih podataka i uspostavljanje empirijskih formula za učinkovitost naboja-pražnjenja. Metoda integracije amper-sati može se koristiti za sve baterije električnih vozila. Ako je trenutno mjerenje točno i ako postoji dovoljno podataka za početno stanje procjene, to može biti jednostavna i pouzdana metoda procjene SOC-a.
3) Metoda-napona otvorenog kruga. Napon otvorenog-kruga baterije na kraju pražnjenja blizu je elektromotorne sile baterije. Elektromotorna sila baterije s kobalt-kiselinom je funkcija koncentracije elektrolita, koja opada proporcionalno s pražnjenjem baterije, tako da se napon-otvorenog kruga može koristiti za procjenu SOC. Linearnost odnosa napona otvorenog-kruga prema SOC-u za MH/Ni baterije i litij-ionske baterije nije tako dobra kao kod baterija s kobalt-kiselinom, ali se njihov odgovarajući odnos još uvijek može koristiti za procjenu SOC-a, posebno s boljim rezultatima na početku i kraju punjenja. Značajan nedostatak metode napona otvorenog-strujnog kruga je to što baterija treba dugo mirovati kako bi se stabilizirao napon, a potrebno je nekoliko sati ili čak više od deset sati da se stanje baterije vrati iz radnog stanja u stabilno stanje, što uzrokuje određene poteškoće u mjerenju; određivanje vremena odmora također predstavlja problem, tako da je ova metoda kada se koristi samostalno prikladna samo za električna vozila u parkiranom stanju. Metoda-napona otvorenog kruga ima dobre performanse procjene SOC-a na početku i kraju punjenja i često se koristi u kombinaciji s metodom integracije amper-sata.
4) Metoda napona opterećenja. U trenutku kada započne pražnjenje, napon se brzo mijenja iz stanja napona otvorenog-kruga u stanje napona opterećenja. Kada struja opterećenja baterije ostane konstantna, obrazac varijacije napona opterećenja sa SOC-om sličan je naponu otvorenog -kruga sa SOC-om. Prednost metode napona opterećenja je u tome što može procijeniti SOC baterije u stvarnom vremenu i ima dobre rezultate tijekom konstantnog-strujnog pražnjenja. U praktičnim primjenama, napon akumulatora vozača stvara poteškoće u korištenju napona opterećenja. Da bi se riješio ovaj problem, potreban je matematički model podataka o naponu akumulatora, neovisnog dinamičkog napona opterećenja i SOC-a; stoga se metoda napona opterećenja rijetko primjenjuje na stvarna vozila, ali se često koristi kao kriterij za prekid punjenja baterije-pražnjenja.
5) Metoda unutarnjeg otpora. Unutarnji otpor baterije dijeli se na unutarnji otpor izmjenične struje i unutarnji otpor istosmjerne struje, a oba su usko povezana sa SOC (Stanje napunjenosti). Izmjenična impedancija baterije prijenosna je funkcija između napona i struje baterije, složena varijabla koja predstavlja otpor baterije na izmjeničnu struju, a mjeri se pomoću mjerača izmjenične impedancije. Temperatura uvelike utječe na AC impedanciju baterije; kontroverzno je i rijetko se koristi u stvarnim vozilima da li ga mjeriti u otvorenom -kružnom krugu nakon što se baterija smiri ili tijekom punjenja i pražnjenja. Istosmjerni unutarnji otpor predstavlja otpor baterije na istosmjernu struju, jednak omjeru promjene napona baterije i promjene struje u vrlo kratkom vremenskom razdoblju. U stvarnom mjerenju, baterija se puni ili prazni konstantnom strujom počevši od stanja otvorenog-strujnog kruga; razlika između napona opterećenja i napona otvorenog -kruga tijekom istog vremenskog razdoblja, podijeljena s trenutnom vrijednošću, je DC unutarnji otpor. Za olovne{10}}kisele baterije, DC unutarnji otpor značajno se povećava u kasnijim fazama pražnjenja i može se koristiti za procjenu SOC baterije; varijacija DC unutarnjeg otpora MH/Ni baterija i litij-ionskih baterija razlikuje se od olovnih-kiselih baterija i rjeđe se koristi. Na veličinu unutarnjeg otpora istosmjerne struje utječe vremensko razdoblje izračuna. Ako je vremensko razdoblje kraće od 10 ms, može se detektirati samo omski unutarnji otpor; ako je vremensko razdoblje dulje, unutarnji otpor postaje složeniji. Precizno mjerenje unutarnjeg otpora jedne ćelije je teško, što je nedostatak metode istosmjernog unutarnjeg otpora. Metoda unutarnjeg otpora prikladna je za procjenu stanja napunjenosti (SOC) baterije u kasnijim fazama pražnjenja i može se koristiti u kombinaciji s metodom integracije amper-sata.
6) Metoda neuronske mreže. Baterija je vrlo nelinearan sustav i teško je uspostaviti točan matematički model za njezin proces punjenja-pražnjenja. Neuronske mreže posjeduju temeljne nelinearne karakteristike, paralelnu strukturu i sposobnost učenja. Oni mogu proizvesti odgovarajuće izlaze za vanjske pobude i tako simulirati dinamičke karakteristike baterije za procjenu SOC. Tipična 3-slojna neuronska mreža obično se koristi za procjenu SOC baterije: broj neurona u ulaznom i izlaznom sloju određen je stvarnim zahtjevima problema i općenito je linearna funkcija; broj neurona u skrivenom sloju ovisi o složenosti problema i potrebnoj točnosti analize. Ulazne varijable koje se često koriste za procjenu SOC baterije uključuju napon, struju, akumulirani ispražnjeni kapacitet, temperaturu, unutarnji otpor i temperaturu okoline. Je li odabir ulaznih varijabli neuronske mreže odgovarajući i je li broj varijabli pravilan izravno utječe na točnost modela i računsko opterećenje. Metoda neuronske mreže primjenjiva je na različite baterije, ali njen nedostatak je što zahtijeva veliku količinu referentnih podataka za obuku, a na pogrešku procjene uvelike utječu podaci o obuci i metoda obuke.
7) Metoda Kalmanova filtra. Temeljna ideja Kalmanove teorije filtra je napraviti optimalnu procjenu stanja dinamičkog sustava u smislu minimalne varijance. Kada se primijeni na procjenu SOC-a baterije, baterija se smatra dinamičkim sustavom, a SOC je jedno od njezinih unutarnjih stanja. Istraživanje metode Kalmanova filtra za procjenu SOC baterije započelo je tek posljednjih godina. Ova je metoda prikladna za različite baterije i, u usporedbi s drugim metodama, posebno je prikladna za procjenu SOC baterijskih paketa električnih vozila s velikim fluktuacijama struje. Ne pruža samo procjenu SOC-a, već također daje pogrešku procjene SOC-a. Međutim, nedostatak ove metode je što je algoritam pretjerano složen i zahtijeva visoku računsku sposobnost sustava, tako da još nije ušao u praktičnu fazu.
Kroz-dubinsko istraživanje različitih metoda procjene SOC-a, metoda integracije amper-sata prvobitno je odabrana kao osnova. Preciznim mjerenjem struje akumulatora, u kombinaciji s metodom napona otvorenog-kruga i uzimajući u obzir čimbenike kao što su učinkovitost punjenja-pražnjenja akumulatora, temperatura, starenje i samo-pražnjenje, postiže se dinamičko upravljanje akumulatorskom baterijom čisto električnih vozila. Za potpuno električna vozila, baterija u osnovi radi u potpuno-napunjenom i potpuno-pražnjenom stanju, pri čemu je većina procesa punjenja konstantno-strujno punjenje. Nakon što je punjenje dovršeno, postoji relativno stabilna početna točka određivanja vrijednosti (kada je punjenje dovršeno, SOC je 100% ili malo prenapunjen). Ako je učinkovitost punjenja-pražnjenja baterije vrlo visoka (iznad 95%), učinkovitost punjenja-pražnjenja može se aproksimirati kao 1 ili jednaka određenoj konstantnoj vrijednosti. Korištenjem ove metode za izračunavanje SOC-a mogu se postići relativno dobri rezultati. Akumulirana pogreška svakog ciklusa punjenja-pražnjenja u osnovi se eliminira kada se sljedeće punjenje završi zajedno s ponovnim kalibriranjem početne vrijednosti SOC.
Izvođenjem visoko{0}}preciznih mjerenja informacija o naponu, struji i temperaturi baterije kako bi se osigurala točnost ulaznih podataka za procjenu SOC-a; uspostavljanjem učinkovitog modela baterije kroz teorijsku analizu i uklapanje eksperimentalnih podataka; ispravljanjem SOC na kraju punjenja i pražnjenja kako bi se uklonile akumulirane SOC pogreške; i uzimajući u obzir čimbenike učinkovitosti punjenja-pražnjenja baterije, temperaturu, starenje i učinke samo-pražnjenja, postiže se visoko-precizna procjena SOC-a sustava. Stanje baterije--algoritma za procjenu napunjenosti prikazano je na slici 17-12.
(1) Metoda izračuna početne vrijednosti SOCPočetna vrijednost SOC-a dobiva se množenjem SOC-a pohranjenog pri-isključenju napajanja i SOC-a dobivenog iz tablice pretraživanja-OCV-SOC-a s koeficijentom koji se odnosi na vrijeme izvan mreže sustava. Početna vrijednost SOC-a mora se očitati svaki put kada se sustav uključi.
(2) Izračun vrijednosti SOC pojedinačne ćelije i korekcija vrijednosti SOC pojedinačne ćelije na temelju vrijednosti SOHKapacitet baterije dobiva se pregledom tablice pomoću temperature i struje punjenja, a kapacitet baterije korigira se pregledom tablice pomoću SOH. Struja se integrira metodom amper-sata, a zatim dijeli s kapacitetom da se dobije vrijednost promjene SOC-a. Vrijednost promjene SOC-a dodaje se početnoj vrijednosti kako bi se dobila SOC vrijednost pojedinačne ćelije.
(3) Izračun SOC paketa baterijaAko se sustav ponovno uključi, očitana početna vrijednost SOC-a uzima se kao SOC baterije; ako je u stanju pražnjenja, SOC paketa baterija očitava minimalnu vrijednost među SOC-ovima pojedinačnih ćelija; ako je u stanju punjenja i punjenje nije dovršeno, SOC paketa baterija očitava maksimalnu SOC vrijednost modula; ako je u stanju punjenja i punjenje je završeno, SOC baterije je postavljen na 1.
(4)Metoda korekcije SOC pojedinačne ćelije na kraju punjenja/pražnjenjaAko je sustav u stanju punjenja i SOC baterije je veći od 0,8, definira se da je sustav na kraju punjenja; ako je sustav u stanju pražnjenja i SOC baterije je manji od 0,3, definira se da je sustav na kraju pražnjenja. Ako je sustav na kraju punjenja/pražnjenja, potrebno je ispraviti SOC. Metoda izračuna SOC na kraju punjenja/pražnjenja je dobivanje SOC vrijednosti gledanjem u tablicu pomoću temperature, struje punjenja/pražnjenja i napona.
