動(dòng)力電池SOC算法及其信息建模

文/呂洲

1　動(dòng)力電池工作原理

鉛酸電池試點(diǎn)汽車電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主流電力技術(shù)，通過蓄電池中產(chǎn)生的酸硫酸鹽化理論，鉛酸電池中的負(fù)極被還原，正極被氧化。蓄電池在閥控技術(shù)約束下，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部的氧氣氣體循環(huán)，在電池的充電過程及充電后期，出現(xiàn)析氧反應(yīng)，所析出的氧氣吸附在AGM隔板上。隔板上的電解液，再將氣體通過隔板縫隙轉(zhuǎn)移到蓄電池的負(fù)極，氣體由正極到負(fù)極所經(jīng)過的反應(yīng)，最終會(huì)將氧氣還原成水。動(dòng)力電池被廣泛應(yīng)用于，電動(dòng)汽車以及其他大耗電量設(shè)備中，具有充電速度快蓄電能力強(qiáng)性價(jià)比高的特點(diǎn)，就目前的市場(chǎng)技術(shù)而言。在法工技術(shù)控制下動(dòng)力電池會(huì)發(fā)生電極反應(yīng)，電極反應(yīng)過程中氣體與水之間會(huì)出現(xiàn)還原轉(zhuǎn)化，析氧再循環(huán)會(huì)導(dǎo)致部分氧氣被消耗掉，從而產(chǎn)生熱能。這也是造成動(dòng)力電池使用過程中電池主體發(fā)熱的主要原因。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池普遍存在，續(xù)航里程短的問題，電池使用中也頻繁產(chǎn)生安全隱患，如何提升電池的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，是未來技術(shù)主要研究方向。下面文章將通過對(duì)動(dòng)力電池的SOC算法研究，結(jié)合信息建模來分析提升動(dòng)力電池使用穩(wěn)定性的有效途徑。

2　動(dòng)力電池SOC算法

2.1　影響動(dòng)力電池SOC的因素

動(dòng)力電池充電以及使用環(huán)境中的溫度是影響SOC的主要問題，動(dòng)力電池兩極之間在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，如果是處于低溫環(huán)境，會(huì)影響到動(dòng)力電池內(nèi)的活性物質(zhì)利用率，從而電池釋放電能的持續(xù)時(shí)間也將因此縮減。充電過程中，一旦溫度高于三十?dāng)z氏度時(shí)，則會(huì)加快動(dòng)力電池內(nèi)的氧氣析出反應(yīng)，雖然電池充電效率會(huì)有提升可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定的電量不充值，但卻會(huì)由于夕陽反應(yīng)而導(dǎo)致充電不均勻的情況，從而造成電池使用時(shí)間減少。電壓也是影響動(dòng)力電池SOC穩(wěn)定性的主要原因，充電以及放電工都會(huì)有規(guī)定的最低電壓與最高電壓。當(dāng)電壓低于最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電池繼續(xù)放電，導(dǎo)致內(nèi)部電壓驟降。電池極板上所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生新的物質(zhì)，逐漸積累在電池極板上，對(duì)電池所造成的影響是不可逆轉(zhuǎn)的。

2.2　SOC估算方法

2.2.1電量累計(jì)法

動(dòng)力電池續(xù)航系統(tǒng)會(huì)通過電池使用中充電以及放電時(shí)間來估算SOC，這種方法是最常用的計(jì)算模式，不僅操作簡(jiǎn)單適用范圍也十分廣泛，是目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車主要應(yīng)用的算法。電量累計(jì)情況受電池使用環(huán)境影響，因此在展開運(yùn)算中，需要將環(huán)境溫度變化引入其中，根據(jù)電量累積來對(duì)電池的SOC補(bǔ)償運(yùn)算時(shí)，需要選擇動(dòng)力電池一段時(shí)間內(nèi)的使用情況，綜合數(shù)據(jù)平均值，這樣對(duì)比得出的SOC結(jié)果才更準(zhǔn)確。

2.2.2電壓測(cè)量法

電流與電壓屬于相對(duì)的參數(shù)在動(dòng)力電池進(jìn)行剩余電量計(jì)算時(shí)，輸入電流以及，動(dòng)力電池的供電電壓都會(huì)影響未來一段時(shí)間電池持續(xù)放電能力，從而影響到SOC。充電時(shí)產(chǎn)生電壓，需要電池通過極板中的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，處于低壓充電狀態(tài)時(shí)，電池極板中發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)，會(huì)與負(fù)極的氫氣反應(yīng)，從而化合成水流轉(zhuǎn)到電解溶液中。在電壓過高的充電狀態(tài)中，會(huì)產(chǎn)生大量水像氧氣的還原轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致電池內(nèi)存在大量氧氣而出現(xiàn)膨脹，并導(dǎo)致電池主體中的熱積累問題出現(xiàn)，最終影響到電池使用壽命。用電壓測(cè)量法來估算動(dòng)力電池SOC，以上電池中氣體及水的氧化還原量均需要捕捉數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行電池導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)控。根據(jù)電池中電解液的濃度，來判斷動(dòng)力電池氧化還原反應(yīng)發(fā)生情況，從而得到電池的蓄電程度，計(jì)得出算出動(dòng)力電池的SOC。電壓測(cè)量法是根據(jù)電池的開路電壓與電池的放電深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量電池的開路電壓來估算SOC。實(shí)際應(yīng)用中開路電壓法要想達(dá)到準(zhǔn)確估算SOC，必須滿足電池長(zhǎng)時(shí)間靜置。而在實(shí)際運(yùn)用中電流是劇烈波動(dòng)的，所以單獨(dú)采用負(fù)載電壓法效果并不理想。建立動(dòng)態(tài)的負(fù)載電壓和SOC模型可以解決電流波動(dòng)問題，這就需要儲(chǔ)存大量的電壓數(shù)據(jù)，且測(cè)量和計(jì)算模型的建立都很困難。

2.2.3內(nèi)阻法

那種法在運(yùn)算中比較復(fù)雜，需要判斷動(dòng)力電池內(nèi)阻與SOC之間的關(guān)系，再根據(jù)所得到的SOC內(nèi)阻測(cè)量值來計(jì)算出動(dòng)力電池的動(dòng)力情況。具體運(yùn)算公式如下：U（t）=E-I（R0+Rr）

其中：

E表示動(dòng)力電池電動(dòng)勢(shì)，也是動(dòng)力電池處于開路狀態(tài)下的電壓。

R0表示動(dòng)力電池歐姆內(nèi)阻。

Rr表示動(dòng)力電池極化內(nèi)阻。內(nèi)阻在動(dòng)力電池使用中，于其內(nèi)部電容共同構(gòu)成了閉合回路，為動(dòng)力電池的電流傳輸營(yíng)造條件。動(dòng)力電池檢測(cè)算法公式如下：

R0+Rr=ΔU/ΔI

其中，ΔU表示動(dòng)力電池的電壓變化情況，ΔI則表示動(dòng)力電池的電流變化情況，通過對(duì)動(dòng)力電池各項(xiàng)內(nèi)阻運(yùn)算判斷，再掌握內(nèi)阻數(shù)值變化的影響因素，最終所得到的SOC結(jié)果也更加準(zhǔn)確。內(nèi)阻法應(yīng)用后最終的判斷結(jié)果準(zhǔn)確度高，已經(jīng)成為未來技術(shù)發(fā)展中的主流控制方向。

3　動(dòng)力電池SOC信息建模

對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOC運(yùn)算信息建模，需要掌握建模的專用信息，采用模糊神經(jīng)元方法來進(jìn)行，獲取動(dòng)力電池使用中的參數(shù)信息，并對(duì)信息進(jìn)行電信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，利用計(jì)算機(jī)程序軟件來構(gòu)建出模型基本框架。掌握使用中的信息動(dòng)力，并觀察是否存在信息動(dòng)力系統(tǒng)信號(hào)參數(shù)波動(dòng)較大的問題，信息建模同樣可以應(yīng)用在電池的內(nèi)部信息控制系統(tǒng)中，并通過系統(tǒng)來進(jìn)一步完善未來長(zhǎng)期發(fā)展效率。信息建立基本框架構(gòu)成后，需要進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的補(bǔ)充，完善后確保模型能夠與動(dòng)力電池真實(shí)情況相互對(duì)應(yīng)，從而達(dá)到最佳控制使用效果。

4　結(jié)語

綜上所述，眾多SOC估算方法中，單一的方法均各有利弊，實(shí)際中經(jīng)常是組合幾種方法使用，安時(shí)法結(jié)合開路電壓法是目前應(yīng)用較為成熟的方法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊控制法和卡爾曼濾波法有很大的前景；結(jié)合目前形勢(shì)與實(shí)際要求，內(nèi)阻法有很大的發(fā)展?jié)摿Γ孕璨粩嘌芯繉?shí)踐。