CN105259511A - 基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法，属于电池技术领域。本发明的目的是通过外部特征（蓄电池温度、蓄电池充放电电流和蓄电池老化因素）对电池的荷电状态进行较准确估算的基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法。本发明的步骤是：蓄电池温度影响的修正、蓄电池充放电电流的修正、蓄电池老化因素的考虑、基于安时法的归化工作状态的SOC估算。本发明科学合理，能够利用蓄电池的外部特性和对其运行状态的进行合理化的归算，归算到标准运行状态，在此基础上再采用时安法对蓄电池的荷电状态进行较准确的估算。

Description

基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法

技术领域

本发明属于电池技术领域。

背景技术

蓄电池作为最常见的储能环节被应用在生产生活的各个方面：在清洁能源的开发利用中，电池储能技术可以用来平抑波动功率；在电动汽车中可以作为主电源为汽车提供动力；在变电站直流***中作为备用电源使得变电站中的二次设备可靠运行等等，在实际应用中，时刻掌握蓄电池的剩余容量是很有必要的，蓄电池的剩余容量用SOC来表示，SOC即电池荷电状态，美国先进电池联合会（USABC）在《电动汽车电池实验手册》中做如下定义：在一定的放电倍率条件下，电池的剩余电量与相同条件下额定容量的比值，而目前SOC并不能被直接测量，只能通过电压、电流、温度、内阻等参数估算获得。常用的ＳＯＣ估算方法有以下几种：①线性模型法：基于经验方程和等效电路或者数学模型的估计方法，这些方法对测量误差和错误的初始条件具有很好的鲁棒性，但是这种稳态模型却不能完全正确的适应电池的动态特性；②神经网络方法：将神经网络用于SOC的估算，但是需要大量的训练数据以及合适的训练方法；③开路电压法：开路电压能够比较准确的反映蓄电池的ＳＯＣ，并且简单易行，但是蓄电池需要空载静置很长时间后才可获取，因此难以应用在实际中；④内阻法：此方法放电后期具有较高精度和较好适应性，但电池单体内阻检测困难，且放电初期内阻变化不大，因此测量难度大；⑤卡尔曼滤波法：对模型的精度要求非常高，计算量大且算法较为复杂；⑥阻抗谱方法：充、放电的电流强度以及蓄电池循环充、放电历史对其结果有一定的影响需要修正，且不适合实际应用。因此寻求一种可以准确方便对蓄电池荷电状态进行估算的方法是本领域技术人员一直想要解决，但迄今，尚未解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是通过外部特征（蓄电池温度、蓄电池充放电电流和蓄电池老化因素）对电池的荷电状态进行较准确估算的基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法。

本发明步骤是：

①蓄电池温度影响的修正：对不同温度下的可用容量提出了如下修正：

（3）

式中，为校正后的放电时间；为实际放电时间；为实际放电温度；为标准温度；k为温度系数；

依据上式将温度修正系数用下式表示：

（4）

是温度修正系数，蓄电池工作温度；

②蓄电池充放电电流的修正：蓄电池充放电电流与标况下的偏差用Peukert方程来归算：

（5）

此时，修正系数（6）；

式中C_H为额定温度下以电流IH放电时所放出的容量；C_N为额定容量；I_N为额定电流；I_Ｈ为放电电流；P为与蓄电池结构特别是极板厚度有关的常数；

③蓄电池老化因素的考虑：用如下公式表示：

（7）

式中C_J为标准状态下所能放出的全部电量；

由上式得到考虑当前蓄电池老化因素时的“额定容量”：

（8）

④基于安时法的归化工作状态的SOC估算方法：

根据以上提出的蓄电池工作状态的归化方法，应用在基于安时法的蓄电池SOC估算方法中，将式（4）、（6）、（8）代入（1）可得：

（9）

t时间采样周期，i充放电电流。

本发明科学合理，能够利用蓄电池的外部特性和对其运行状态的进行合理化的归算，归算到标准运行状态，在此基础上再采用时安法对蓄电池的荷电状态进行较准确的估算。

附图说明

图1是本发明方法、传统安时法和SOC真实值对比图。

具体实施方式

本发明将蓄电池看成一个整体，采用安时法，通过研究其外部特征对电池的荷电状态进行较准确估算的基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法。

本发明的步骤是：

①蓄电池温度影响的修正：对不同温度下的可用容量提出了如下修正：

（3）

式中，为校正后的放电时间；为实际放电时间；为实际放电温度；为标准温度；k为温度系数；

依据上式将温度修正系数用下式表示：

（4）

是温度修正系数，蓄电池工作温度；

②蓄电池充放电电流的修正：蓄电池充放电电流与标况下的偏差用Peukert方程来归算：

（5）

此时，修正系数（6）；

式中C_H为额定温度下以电流IH放电时所放出的容量；C_N为额定容量；I_N为额定电流；I_Ｈ为放电电流；P为与蓄电池结构特别是极板厚度有关的常数；

③蓄电池老化因素的考虑：用如下公式表示：

（7）

式中C_J为标准状态下所能放出的全部电量；

由上式得到考虑当前蓄电池老化因素时的“额定容量”：

（8）

④基于安时法的归化工作状态的SOC估算方法：

根据以上提出的蓄电池工作状态的归化方法，应用在基于安时法的蓄电池SOC估算方法中，将式（4）、（6）、（8）代入（1）可得：

（9）

t时间采样周期，i充放电电流。

以下结合附图对本发明做进一步详细描述：

1）安时法：

若蓄电池起始状态为SOC_０，那么安时法的SOC估算公式为：①蓄电池温度影响的修正：对不同温度下的可用容量提出了如下修正：

（1）

式中C_N为蓄电池额定容量；i为充放电电流；为充放电效率，是电池充入电量和放出电量的比值；t为充放电截止时间。

离散化的ＳＯＣ估算公式为：

（2）

通过式（2）可以看出，安时法估算精度与初值SOC₀、充放电电流的测量精度、采样频率、额定容量以及充放电效率有关。SOC₀直接影响SOC估算精度，故提供一个准确的SOC初值是很重要的；而在一定的采样频率下，充放电电流的测量精度是可以保证的；而额定容量以及充放电效率受充放电电流、温度以及老化等因素的影响。当蓄电池工作在标准状态下时，充放电效率为1，但是在实际应用中，由于对蓄电池的要求不同，蓄电池往往不能工作在标准状态下，这就给SOC估算带来了困难，此时如果再按传统方法则会产生较大的误差。因此，对蓄电池的运行状态进行归算具有很重要的意义。而在实际应用中，其工作状态与标准状态下条件主要是在温度、充放电电流以及老化因素三个方面有所不同。故本发明对运行条件的归算工作主要从这三个方面展开。

2）①蓄电池温度影响的修正：

通常情况下，在15℃-25℃之间时，蓄电池工作在最佳状态。当电解液温度高于25度时，其扩散速度加快，电阻减小且电动势增加，因此在一定范围内其可用容量随温度的增加而增加。而当温度过高时，蓄电池可用容量将下降直至失效。例如对于阀控铅酸蓄电池，根据化学热力学原理,环境温度过高时,电池放电深度越大，电解液密度越高，板栅腐蚀越剧烈，储存时间愈长，腐蚀层越厚。伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸，其结果使板栅抗张强度变小。活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，使电池容量下降，直至蓄电池失效。

将温度转换为标况下温度时，可以以充放电时间为尺度对其进行衡量。对不同温度下的可用容量提出了如下修正：

（3）

式中，为校正后的放电时间；为实际放电时间；为实际放电温度；为标准温度；k为温度系数；

温度系数与放电倍率有关，一般为0.004~0.011，当放电倍率大于10时，k取0.06，当放电倍率在1到10之间时，k取0.08，当放电倍率小于1时，k取0.01。

依据上式将温度修正系数用下式表示：

（4）

是温度修正系数，蓄电池工作温度。

②蓄电池充放电电流的修正：

蓄电池充放电电流对可用容量的影响十分明显。在其他条件都相同时，放电电流小的能够放出更多的电量。原因是在电池内部所进行的电化学反应会有生成物生成，当进行大电流放电时，反应速率加快，生成物增多，则生成物会由于过多而无法通过自由扩散的方式向电池内壁扩散，此时生成物将聚集在极板附近，从而在一定程度上阻碍内部离子的传递以及化学反应的正常进行，蓄电池可用容量将会减少。因此小电流放电时，由于生成物能够自由扩散，化学反应可以顺利进行，则可用容量将会增大。

蓄电池充放电电流与标况下的偏差用Peukert（普克特）方程来归算：

（5）

此时，修正系数（6）；

式中C_H为额定温度下以电流IH放电时所放出的容量；C_N为额定容量；I_N为额定电流；I_Ｈ为放电电流；P为与蓄电池结构特别是极板厚度有关的常数，可以通过多个Peukert（普克特）方程计算得到，也可结合蓄电池的放电曲线来优化。

③蓄电池老化因素的考虑：

在蓄电池实际应用中，由于受到无法恢复因素的影响，蓄电池总会随着充放电次数的增加而逐渐老化，致使可用容量无法逆转的减小。而SOH（电池健康状态）则为此提供了一个量化描述，用以表征蓄电池老化程度，在数值上等于当前电池在标准状态下充满电所能放出的电量与额定容量的比值，用如下公式表示：

（7）

式中C_J为标准状态下所能放出的全部电量；

而由于老化因素的存在，C_J与C_N并不相等，故由上式可以得到考虑当前蓄电池老化因素时的“额定容量”：

（8）

④基于安时法的归化工作状态的SOC估算方法：

根据以上提出的蓄电池工作状态的归化方法，应用在基于安时法的蓄电池SOC估算方法中，将式（4）、（6）、（8）代入（1）可得：

（9）

t时间采样周期，i充放电电流（工作电流）。

验证：

对锂电池进行一次放电试验，采用此方法对锂电池单体电池进行SOC估算，由于传统安时法对初值要求比较严格，所以采用开路电压法给出初值。分别采用本发明所提出的方法和传统的安时法对SOC进行估算。

本实施例通过对锂电池进行一次放电试验，分别采用本发明所提方法和传统的时安法对锂电池单体电池进行荷电状态估算，其实验结果如图1所示。

图1中实线为SOC真实值，点划线为状态归算后的SOC估算值，虚线为使用传统安时法计算后得到的SOC值。从图中可以看出通过文中估算方法所得到的SOC估计值与真实值之间十分接近，表明这种工作状态归算方法具有很好的估算能力。

Claims (1)

1.一种基于蓄电池运行状态归算的荷电状态估算方法，其特征在于：其步骤是：

①蓄电池温度影响的修正：对不同温度下的可用容量提出了如下修正：

（3）

式中，为校正后的放电时间；为实际放电时间；为实际放电温度；为标准温度；k为温度系数；

依据上式将温度修正系数用下式表示：

（4）

是温度修正系数，蓄电池工作温度；

②蓄电池充放电电流的修正：蓄电池充放电电流与标况下的偏差用Peukert方程来归算：

（5）

此时，修正系数（6）；

式中C_H为额定温度下以电流IH放电时所放出的容量；C_N为额定容量；I_N为额定电流；I_Ｈ为放电电流；P为与蓄电池结构特别是极板厚度有关的常数；

③蓄电池老化因素的考虑：用如下公式表示：

（7）

式中C_J为标准状态下所能放出的全部电量；

由上式得到考虑当前蓄电池老化因素时的“额定容量”：

（8）

④基于安时法的归化工作状态的SOC估算方法：

根据以上提出的蓄电池工作状态的归化方法，应用在基于安时法的蓄电池SOC估算方法中，将式（4）、（6）、（8）代入（1）可得：

（9）

t时间采样周期，i充放电电流。