Wie lässt sich der Ladezustand abschätzen?
SOC-Schätzung
Der Ladezustand (SOC) einer Batterie ist einer der wichtigsten Parameter während der Batterienutzung. Da der Ladezustand durch Faktoren wie Lade-/Entladerate (Strom), Temperatur, Selbstentladung und Alterung beeinflusst wird, weisen Batterien während des Gebrauchs eine hohe Nichtlinearität auf, was eine genaue Schätzung des Ladezustands schwierig macht.
SOC-Schätzmethoden
Häufig verwendetSOC-SchätzmethodenDazu gehören die Methode des Entladungsexperiments, die Amperestunden-Integrationsmethode, die Leerlaufspannungsmethode, die Lastspannungsmethode, die Innenwiderstandsmethode, die Methode des neuronalen Netzwerks und die Kalman-Filtermethode.
1) Methode des Entladungsexperiments. Die Methode des Entladungsexperiments ist die zuverlässigste Methode zur SOC-Schätzung. Für die kontinuierliche Entladung wird ein konstanter Strom verwendet, und das Produkt aus Entladestrom und -zeit ist die verbleibende Ladung. Die Methode des Entladungsexperiments wird häufig in Laboratorien verwendet und ist auf alle Batterien anwendbar, weist jedoch zwei wesentliche Nachteile auf: Erstens erfordert sie viel Zeit; Zweitens muss der Betrieb der Batterie unterbrochen werden. Die Methode des Entladungsexperiments eignet sich nicht für fahrende Elektrofahrzeuge, kann jedoch zur Wartung von Elektrofahrzeugbatterien verwendet werden.
2)Ampere-Stunden-Integrationsmethode. Die Amperestunden-Integrationsmethode ist die am häufigsten verwendete SOC-Schätzmethode. Diese Methode weist jedoch die folgenden Probleme auf: ungenauStrommessungführt zu Abweichungen bei der SOC-Berechnung und Fehler häufen sich mit der Zeit und werden größer; Die Lade--Entladeeffizienz der Batterie muss berücksichtigt werden. Unter hohen-Temperaturbedingungen oder wenn der Akku starke Schwankungen aufweist, sind die Fehler größer. Ungenaue Strommessungen können durch den Einsatz leistungsstarker Stromsensoren behoben werden, allerdings steigen die Kosten; Die Lösung der Lade-{4}}Entladeeffizienz erfordert die Beherrschung einer großen Menge experimenteller Daten und die Erstellung empirischer Formeln für die Lade-{5}}Entladeeffizienz. Die Amperestunden-Integrationsmethode kann für alle Batterien von Elektrofahrzeugen verwendet werden. Wenn die aktuelle Messung genau ist und ausreichend Daten für den anfänglichen Schätzzustand vorliegen, kann es sich um eine einfache und zuverlässige Methode zur SOC-Schätzung handeln.
3)Leerlaufspannungsmethode. Die Leerlaufspannung einer Batterie am Ende der Entladung liegt nahe an der elektromotorischen Kraft der Batterie. Die elektromotorische Kraft einer Kobalt--Säurebatterie ist eine Funktion der Elektrolytkonzentration, die proportional mit der Batterieentladung abnimmt, sodass die Leerlaufspannung zur Schätzung des Ladezustands verwendet werden kann. Die Linearität der Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand für MH/Ni-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien ist nicht so gut wie die von Kobalt-Säurebatterien, aber ihre entsprechende Beziehung kann dennoch zur Schätzung des Ladezustands verwendet werden, insbesondere mit besseren Ergebnissen zu Beginn und am Ende des Ladevorgangs. Ein erheblicher Nachteil der Leerlaufspannungsmethode besteht darin, dass die Batterie lange ruhen muss, um die Spannung zu stabilisieren, und es mehrere Stunden oder sogar mehr als zehn Stunden dauert, bis der Batteriezustand wieder stabil ist, was zu gewissen Schwierigkeiten bei der Messung führt. Problematisch ist auch die Bestimmung der Ruhedauer, so dass diese Methode alleine nur für Elektrofahrzeuge im geparkten Zustand geeignet ist. Die Leerlaufspannungsmethode bietet eine gute Leistung bei der SOC-Schätzung zu Beginn und am Ende des Ladevorgangs und wird häufig in Kombination mit der Amperestunden-Integrationsmethode verwendet.
4)Lastspannungsmethode. Sobald die Entladung beginnt, ändert sich die Spannung schnell vom Leerlaufspannungszustand zum Lastspannungszustand. Wenn der Batterielaststrom konstant bleibt, ähnelt das Muster der Lastspannungsschwankung mit SOC dem Muster der Leerlaufspannung mit SOC. Der Vorteil der Lastspannungsmethode besteht darin, dass sie den Ladezustand des Akkupacks in Echtzeit abschätzen kann und bei Konstantstromentladung gute Ergebnisse liefert. In praktischen Anwendungen führt die Spannung der Fahrerbatterie zu Schwierigkeiten bei der Verwendung der Lastspannung. Um dieses Problem zu lösen, ist ein mathematisches Modell der Batteriespannungsdaten, der unabhängigen dynamischen Lastspannung und des Ladezustands erforderlich. Daher wird die Lastspannungsmethode selten auf reale Fahrzeuge angewendet, sondern häufig als Kriterium für die Lade- und Entladeabschaltung der Batterie verwendet.
5) Interne Widerstandsmethode. Der Innenwiderstand der Batterie wird in AC-Innenwiderstand und DC-Innenwiderstand unterteilt, die beide eng mit dem SOC (State of Charge) zusammenhängen. Die Wechselstromimpedanz der Batterie ist eine Übertragungsfunktion zwischen Batteriespannung und -strom, eine komplexe Variable, die den Widerstand der Batterie gegenüber Wechselstrom darstellt und mit einem Wechselstromimpedanzmessgerät gemessen wird. Die Wechselstromimpedanz der Batterie wird stark von der Temperatur beeinflusst. Ob die Messung im Leerlaufzustand nach dem Beruhigen der Batterie oder während des Ladens und Entladens erfolgen soll, ist umstritten und wird in tatsächlichen Fahrzeugen selten verwendet. Der Gleichstrom-Innenwiderstand stellt den Widerstand der Batterie gegenüber Gleichstrom dar und entspricht dem Verhältnis der Änderung der Batteriespannung zur Änderung des Stroms über einen sehr kurzen Zeitraum. Bei der tatsächlichen Messung wird die Batterie ausgehend von einem Leerlaufzustand mit einem konstanten Strom geladen oder entladen; Die Differenz zwischen der Lastspannung und der Leerlaufspannung über denselben Zeitraum, dividiert durch den Stromwert, ist der DC-Innenwiderstand. Bei Blei-Säure-Batterien steigt der Gleichstrom-Innenwiderstand in den späteren Stadien der Entladung deutlich an und kann zur Schätzung des Batterie-SOC verwendet werden; Die Gleichstrom-Innenwiderstandsschwankung von MH/Ni-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien unterscheidet sich von der von Blei-Säure-Batterien und wird weniger häufig verwendet. Die Größe des DC-Innenwiderstands wird durch den Berechnungszeitraum beeinflusst. Ist die Zeitspanne kürzer als 10ms, kann nur der ohmsche Innenwiderstand erfasst werden; Bei längerer Zeitspanne wird der Innenwiderstand komplexer. Die genaue Messung des Innenwiderstands einer einzelnen Zelle ist schwierig, was einen Nachteil der DC-Innenwiderstandsmethode darstellt. Die Innenwiderstandsmethode eignet sich zur Schätzung des Ladezustands (SOC) einer Batterie in späteren Entladestadien und kann in Kombination mit der Ampere-Stunden-Integrationsmethode verwendet werden.
6)Neuronale Netzwerkmethode. Eine Batterie ist ein hochgradig nichtlineares System und es ist schwierig, ein genaues mathematisches Modell für ihren Lade-{2}Entladevorgang zu erstellen. Neuronale Netze verfügen über grundlegende nichtlineare Eigenschaften, parallele Struktur und Lernfähigkeit. Sie können entsprechende Ausgänge für externe Anregungen erzeugen und so die dynamischen Eigenschaften der Batterie simulieren, um den Ladezustand abzuschätzen. Zur Schätzung des Batterieladezustands wird üblicherweise ein typisches dreischichtiges neuronales Netzwerk verwendet: Die Anzahl der Neuronen in der Eingabe- und Ausgabeschicht wird durch die tatsächlichen Problemanforderungen bestimmt und ist im Allgemeinen eine lineare Funktion. Die Anzahl der Neuronen in der verborgenen Schicht hängt von der Komplexität des Problems und der erforderlichen Analysegenauigkeit ab. Zu den häufig verwendeten Eingangsvariablen zur Schätzung des Batterie-SOC gehören Spannung, Strom, akkumulierte Entladekapazität, Temperatur, Innenwiderstand und Umgebungstemperatur. Ob die Auswahl der Eingabevariablen des neuronalen Netzwerks angemessen ist und ob die Anzahl der Variablen angemessen ist, wirkt sich direkt auf die Genauigkeit des Modells und die Rechenlast aus. Die Methode des neuronalen Netzwerks ist auf verschiedene Batterien anwendbar. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, dass für das Training eine große Menge an Referenzdaten erforderlich ist und der Schätzfehler stark von den Trainingsdaten und der Trainingsmethode beeinflusst wird.
7)Kalman-Filtermethode. Die Kernidee der Kalman-Filtertheorie besteht darin, den Zustand eines dynamischen Systems im Sinne einer minimalen Varianz optimal abzuschätzen. Bei der Anwendung auf die Batterie-SOC-Schätzung wird die Batterie als dynamisches System betrachtet und der SOC ist einer seiner internen Zustände. Die Erforschung der Kalman-Filter-Methode zur Schätzung des Batterie-SOC hat erst in den letzten Jahren begonnen. Diese Methode ist für verschiedene Batterien geeignet und eignet sich im Vergleich zu anderen Methoden besonders für die SOC-Schätzung von Batteriepaketen von Elektrofahrzeugen mit großen Stromschwankungen. Es liefert nicht nur die SOC-Schätzung, sondern auch den Schätzfehler des SOC. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass der Algorithmus zu komplex ist und eine hohe Rechenleistung des Systems erfordert, sodass sie noch nicht in die praktische Phase eingetreten ist.
Durch eingehende-tiefgreifende Untersuchungen verschiedener Methoden zur SOC-Schätzung wurde zunächst die Amperestunden-Integrationsmethode als Grundlage ausgewählt. Durch die genaue Messung des Batteriestroms in Kombination mit der Leerlaufspannungsmethode und der Berücksichtigung von Faktoren wie Batterielade--Entladeeffizienz, Temperatur, Alterung und Selbstentladung wird ein dynamisches Management der Leistungsbatterie reiner Elektrofahrzeuge erreicht. Bei reinen Elektrofahrzeugen arbeitet der Batteriesatz grundsätzlich im Voll-Lade- und Voll-Entladezustand, wobei der Großteil des Ladevorgangs als Konstantstromladung erfolgt. Nach Abschluss des Ladevorgangs gibt es einen relativ stabilen Anfangswertbestimmungspunkt (wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, beträgt der SOC 100 % oder ist leicht überladen). Wenn die Lade-{13}}Entladeeffizienz des Akkupacks sehr hoch ist (über 95 %), kann die Lade-{15}}Entladeeffizienz angenähert 1 oder gleich einem bestimmten konstanten Wert sein. Mit dieser Methode zur Berechnung des SOC können relativ gute Ergebnisse erzielt werden. Der akkumulierte Fehler jedes Lade--Entladezyklus wird grundsätzlich beseitigt, wenn der nächste Ladevorgang abgeschlossen ist, zusammen mit der Neukalibrierung des anfänglichen SOC-Werts.
Durch die Durchführung hochpräziser -Messungen von Batteriespannungs-, Strom- und Temperaturinformationen, um die Genauigkeit der SOC-Schätzeingaben sicherzustellen; durch die Etablierung eines effektiven Batteriemodells durch theoretische Analyse und Anpassung experimenteller Daten; durch Korrektur des SOC am Ende des Lade- und Entladevorgangs, um akkumulierte SOC-Fehler zu beseitigen; Durch die Berücksichtigung von Lade--Entladeeffizienzfaktoren, Temperatur, Alterung und Selbstentladungseffekten wird eine hochpräzise Schätzung des System-SOC erreicht. Der Algorithmus zur Schätzung des Batteriezustands-der-Ladung ist in Abbildung 17-12 dargestellt.
(1) Methode zur Berechnung des SOC-AnfangswertsDer SOC-Anfangswert wird durch Multiplizieren des beim Ausschalten-gespeicherten SOC und des aus der Temperatur-OCV-SOC-Nachschlagetabelle erhaltenen SOC mit einem Koeffizienten ermittelt, der sich auf die Offlinezeit des Systems bezieht. Der SOC-Anfangswert muss jedes Mal gelesen werden, wenn das System eingeschaltet wird.
(2) Berechnung des SOC-Werts der einzelnen Zellen und Korrektur des SOC-Werts der einzelnen Zellen basierend auf dem SOH-WertDie Batteriekapazität wird durch Nachschlagen in der Tabelle anhand von Temperatur und Ladestrom ermittelt, und die Batteriekapazität wird durch Nachschlagen in der Tabelle anhand von SOH korrigiert. Der Strom wird mithilfe der Ampere--Stunden-Methode integriert und dann durch die Kapazität dividiert, um den SOC-Änderungswert zu erhalten. Der SOC-Änderungswert wird zum Anfangswert addiert, um den SOC-Wert der einzelnen Zelle zu erhalten.
(3) Berechnung des SOC des BatteriepacksWenn das System wieder eingeschaltet wird, wird der gelesene SOC-Anfangswert als SOC des Batteriepacks verwendet; Im Entladezustand liest der SOC des Batteriepacks den Mindestwert unter den SOCs der einzelnen Zellen. Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist und der Ladevorgang noch nicht abgeschlossen ist, liest der SOC des Batteriepacks den maximalen SOC-Wert des Moduls. Wenn der Ladezustand abgeschlossen ist und der Ladevorgang abgeschlossen ist, wird der Ladezustand des Akkupacks auf 1 gesetzt.
(4)SOC-Korrekturmethode für einzelne Zellen am Ende des Lade-/EntladevorgangsWenn sich das System im Ladezustand befindet und der Ladezustand des Akkupacks größer als 0,8 ist, gilt das System als am Ende des Ladevorgangs. Wenn sich das System im Entladezustand befindet und der Ladezustand des Akkupacks weniger als 0,3 beträgt, gilt das System als am Ende des Entladevorgangs. Befindet sich das System am Ende des Lade-/Entladevorgangs, muss der SOC korrigiert werden. Die SOC-Berechnungsmethode am Ende des Ladens/Entladens besteht darin, den SOC-Wert durch Nachschlagen in der Tabelle unter Verwendung von Temperatur, Lade-/Entladestrom und Spannung zu ermitteln.
