城市軌道交通車輛車載蓄電池剩余容量估算方法

姜 波 李曉明

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,130062,長(zhǎng)春∥第一作者,工程師)

城市軌道交通車輛車載蓄電池剩余容量估算方法

姜 波 李曉明

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,130062,長(zhǎng)春∥第一作者,工程師)

城市軌道交通車輛車載蓄電池的電壓值無法準(zhǔn)確反映當(dāng)前蓄電池剩余容量值。采用安時(shí)積分法作為蓄電池電量變化量的基本計(jì)算方法,綜合考慮影響蓄電池容量的初始誤差和累計(jì)誤差,將老化程度、溫度變化及放電倍率作為誤差補(bǔ)償因子,建立估算蓄電池剩余容量的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)估算模型設(shè)計(jì)算法流程,并將其應(yīng)用于城市軌道交通車輛蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以向列車操作人員提供蓄電池剩余容量的實(shí)時(shí)信息,便于維修維護(hù)等操作。

城市軌道交通; 車輛; 蓄電池; 剩余容量; 誤差補(bǔ)償; 估算模型

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,130062,Changchun,China

在城市軌道交通車輛車載蓄電池容量管理中,一般僅通過判斷蓄電池電壓值來衡量蓄電池剩余容量SOC的大小。當(dāng)用電壓值衡量法判定某蓄電池的電壓低于某一定值時(shí),則認(rèn)為該蓄電池不足以提供足夠的容量供列車使用。這種電壓值衡量法無法定量地表示蓄電池當(dāng)前真實(shí)的剩余容量,甚至?xí)a(chǎn)生比較大的偏差,從而造成對(duì)列車當(dāng)前的狀態(tài)判斷失準(zhǔn)。本文基于安時(shí)積分法求取充放電過程中的電量變化量,并考慮蓄電池老化程度[1]、蓄電池溫度[2]、放電倍率[3]等因素對(duì)蓄電池容量的影響,建立具有誤差補(bǔ)償能力的數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前剩余容量,為列車調(diào)試或運(yùn)營管理提供可靠的蓄電池容量狀態(tài)信息。

1 電量變化值計(jì)算存在的問題

安時(shí)積分法是一種常用的蓄電池電量累計(jì)方法。其主要原理是通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)充放電電流與充放電時(shí)間的積分,求解得出積分時(shí)間內(nèi)電量的變化值占初始總電量的百分比,進(jìn)而求出初始容量和變化容量之間的差。該差值即為SOC,其計(jì)算公式為:

(1)

式中:

SOC(t)——剩余容量;

SOC(t0)——初始容量;

I——電池電流;

Q——電池額定電量;

t——積分時(shí)間。

安時(shí)積分法將蓄電池視為1個(gè)密閉系統(tǒng),不關(guān)心其內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)及內(nèi)部各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系,而是研究系統(tǒng)外部特性,關(guān)注進(jìn)出系統(tǒng)的電量。這種方法通過電流與時(shí)間的積分值計(jì)算充入電池和流出電池的電量,在一段時(shí)間內(nèi),監(jiān)測(cè)和記錄電池的變化電量,通過與初始值求差,得到實(shí)時(shí)的SOC。

但是,安時(shí)積分法忽略了電池狀態(tài)與電量的關(guān)系,沒有考慮電池老化、溫度及放電倍率等因素對(duì)SOC估算的影響,長(zhǎng)期積累,誤差會(huì)越來越大。所以,要想提高安時(shí)積分法的精度,就必須對(duì)這些因素采用較好的方法進(jìn)行處理。

2 基于影響因素補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型

2.1 影響因素分析

考慮到安時(shí)積分法忽略了蓄電池狀態(tài)與電量的關(guān)系,下面針對(duì)幾種重要的影響因素對(duì)SOC的計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償處理。

電池SOC初始誤差來源于蓄電池老化程度的影響,本模型考慮這一影響因子來解決初始誤差的問題。

安時(shí)積分的累積誤差來源于蓄電池充放電過程中溫度的影響以及放電倍率的影響,在蓄電池的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中,通過對(duì)以上兩種影響因子的處理來解決累積誤差的問題。

定義蓄電池老化程度[4]的影響因子為f(tm),則有:

(2)

式中:

∑tm(i)——電池累計(jì)循環(huán)充放電次數(shù),由監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)判斷并累計(jì)處理,并可即時(shí)存儲(chǔ)和調(diào)取;

tm,I——電池出廠時(shí)的額定循環(huán)壽命。

定義充放電過程中蓄電池溫度變化影響因子為f(Tp(t)),其表達(dá)式為:

(3)

式中:

kT——溫度系數(shù)[5],其取值范圍是0.006～0.008;

T(t)——電池實(shí)時(shí)溫度,由溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)而獲得;

T0——額定電量Q對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值。

設(shè)η為放電倍率影響因子,則:

(4)

式中:

QN——采用標(biāo)準(zhǔn)電流對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)從電池中所放出的電量值,其是蓄電池出廠時(shí)由蓄電池廠家提供的固有已知參數(shù);

Qcal——蓄電池放電狀態(tài)下不同放電電流對(duì)應(yīng)放出的電量,可通過查表求得。

以南昌地鐵2號(hào)線車輛項(xiàng)目所使用的國內(nèi)城鐵車輛常用DTM-3系列型車載蓄電池為例,該電池出廠時(shí),廠家提供了一部分不同試驗(yàn)的放電電流值I測(cè)及其對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間t測(cè)的關(guān)系(如表1所示)。其中,電量Qcal根據(jù)電流與時(shí)間的乘積得出。

表1 不同放電電流、時(shí)間及電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

綜合考慮上述補(bǔ)償因素的影響,定義蓄電池剩余容量初始補(bǔ)償值為SOC,1(t0),則有:

(5)

式中:

SOC,1(t0)——監(jiān)測(cè)單元初始上電時(shí)對(duì)蓄電池剩余容量的初始補(bǔ)償值;

SOC(t0)——蓄電池剩余容量初始值,由監(jiān)測(cè)單元在列車初始上電時(shí)讀取自身內(nèi)部存儲(chǔ)器中的保存值而獲得;

f(tm)由式(2)求得。

定義動(dòng)態(tài)過程中電池容量的變化量ΔSOC的表達(dá)式為:

(6)

式中:

ΔSOC——?jiǎng)討B(tài)過程中電池容量的變化量。

則有:

(7)

3 算法流程設(shè)計(jì)

3.1 算法步驟

根據(jù)上述影響因素補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型,并結(jié)合蓄電池監(jiān)測(cè)單元等車載硬件性能,設(shè)計(jì)軟件算法流程為:

步驟一:在列車蓄電池上電后,由蓄電池監(jiān)測(cè)單元讀取內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的蓄電池剩余容量SOC的存儲(chǔ)數(shù)值SOC(t0)。

步驟二:在蓄電池監(jiān)測(cè)單元運(yùn)行之初根據(jù)式(5)計(jì)算電池剩余容量的初始補(bǔ)償值SOC,1(t0)。

步驟三:在蓄電池動(dòng)態(tài)過程中,根據(jù)式(6)計(jì)算實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償電量變化值。

步驟四:在蓄電池放電過程中,根據(jù)式(6)計(jì)算實(shí)時(shí)放電倍率補(bǔ)償電量變化值。

步驟五:蓄電池監(jiān)測(cè)單元根據(jù)式(7)計(jì)算當(dāng)前蓄電池SOC,并保存計(jì)算結(jié)果,該計(jì)算結(jié)果可被即時(shí)讀取。

3.2 算法流程圖

由2算法步驟,設(shè)計(jì)相應(yīng)軟件的算法流程見圖1。

圖1 算法流程圖

4 結(jié)語

本方法基于蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái),綜合考慮影響蓄電池SOC的因素進(jìn)行誤差補(bǔ)償并建立估算模型,通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的流程算法實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛蓄電池剩余容量的估算。在城鐵車輛實(shí)際應(yīng)用中,蓄電池監(jiān)測(cè)單元接入列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,向司機(jī)或維修維護(hù)人員實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前蓄電池電量狀態(tài)。當(dāng)剩余容量低于安全值時(shí),蓄電池監(jiān)測(cè)單元會(huì)及時(shí)上報(bào)電量低的警告信息,以防止因蓄電池饋電而導(dǎo)致列車系統(tǒng)無法上電。

[1] 肖成偉.車用鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)性能的研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[2] TODD M.Bandhauer,Srinivas Garimella,Thomas F.Fuller.A Critical Review of Thermal Issues in Lithium-Ion Batteries [J].Journal of The Electrochemical Society,2011,158(3):18-20.

[3] 宋懷河,楊樹斌,陳曉紅.影響鋰離子電池高倍率充放電性能的因素[J].電源技術(shù),2009,33(6):443-448.

[4] 吳贅,蔣新華,解晶瑩.鋰離子電池循環(huán)壽命快速衰減的原因[J].電池.2009,39(4):206-207.

[5] 李哲,韓雪冰,盧蘭光,等.動(dòng)力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,47(18):115-120.

Estimation of the Residual Capacity of Storage Batteries Installed on Metro Train

JIANG Bo, LI Xiaoming

The voltage values of storage batteries on the metro train cannot reflect the real residual capacity.The Ah (Ampere-hour) integral method is used as a basic calculation to judge the variable quantity of charge.It is proper to consider the initial and accumulative errors which affect the state of charge.The aging level of batteries,temperature changes and discharging rate are taken as the error compensation factors,so as to establish the mathematics model to measure the residual capacity of batteries.According to the design algorithm flow,the model will be applied to the batteries′monitoring system on metro train.This system will provide the train operators real-time information about the state of charge,making it convenient for service and maintenance.

urban rail transit; train; storage battery; residual capacity; error compensating; estimation model

U 270.38+1; TM 912.8

10.16037/j.1007-869x.2016.12.015

2016-04-22)