Критерии выбора тяговых АКБ
Прежде, чем отправиться в магазин за приобретением тягового аккумулятора, стоит точно определиться с параметрами и свойствами, которым она должна отвечать, для того чтобы она могла нормально работать вместе с другим оборудованием техники.
Основные параметры, на которые необходимо акцентировать внимание:
1. Номинальная электрическая емкость;
2. Размеры и форма корпуса конкретной батареи;
3. Масса аккумулятора.
Очень часто покупка тяговых аккумуляторов требует необходимости профессиональных консультаций, так как зачастую простому человеку бывает очень сложно подобрать аккумулятор, который подойдет по всем параметрам для его техники. К тому же, магазины аккумуляторов и другого технического оборудования имеют очень широкий ассортимент продукции.
Каждый аккумулятор имеет целый набор индивидуальных уникальных характеристик, служащих для покупателя ориентиром. Порой разобраться в них могут исключительно профессионалы.
Все тяговые аккумуляторы должны иметь маркировку на корпусе, обозначающую номинальную емкость, вес АКБ и некоторые другие характеристики.
Аккумулятор, в первую очередь, должен подходить технике по модели и размерам. Также следует учитывать емкость батареи. Она должна соответствовать мощности техники.
Стоит брать во внимание основные характеристики, и отталкиваться именно от них. Главные характеристики тяговых аккумуляторов – это емкость, количество циклов разряда и заряда, напряжение, максимальные токи разряда и заряда, а также саморазряд. Остановимся на них поподробнее.
1. Емкость батареи
2. Число циклов разряда и заряда на самом деле зависит от очень многих факторов. К тому же, количество рабочих циклов зависит от технологии изготовления, различной у разных производителей. Поэтому это значение зависит от конкретного типа и модели АКБ и не является универсальным и постоянным.
3. Напряжение. Обычно этот параметр является постоянным для всех тяговых гелиевых и кислотно-щелочных аккумуляторов (за редким исключением).
4. Максимальные токи разряда и заряда у любого аккумулятора измеряются сообразно ее емкости.
5. Саморазряд. Явление саморазряда является характерным не только для тяговых АКБ, но и для всех других типов батарей. Оно заключается в потере емкости аккумулятора после того, как он был полностью заряжен без внешних потребителей энергии. Для оценки количества саморазряда очень удобно использовать размер потерянной емкости за фиксированное время (как правило, за сутки или 1 месяц), выраженный в процентах от того значения, который был получен сразу же после заряда. Необходимо помнить, что саморазряд максимален именно в первые сутки после заряда, после чего он значительно сокращается. В какой-то степени саморазряд зависит от процесса технологии изготовления, конструкции и типа аккумулятора, а также качества применяемых материалов.
Выбор тягового аккумулятора – очень сложный процесс. Он зависит от типа АКБ (гелиевый или обычный), массы, конструкции, стоимости, формы и многих других технических параметров. Если вы не уверены в том, что самостоятельно сможете приобрести АКБ, лучше всего обратиться за помощью к знающим мастерам.
Автор: www.e-akb.ru
При полном или частичном копировании ссылка на сайт обязательна!
Характеристики аккумуляторных батарей, применяемых на электротележках и электропогрузчиках
Категория:
Электротележки
Публикация:
Характеристики аккумуляторных батарей, применяемых на электротележках и электропогрузчиках
Читать далее:
Характеристики аккумуляторных батарей, применяемых на электротележках и электропогрузчиках
Для электрических приводов электротележек и электропогрузчиков источником энергии является аккумуляторная батарея.
На электротележках ЕП-011 используют свинцовые аккумуляторные батареи 2Х20Х5КТ285Г, на электропогрузчиках ЕВ 717.33.22—2X20Х5КТ285Е, на ЕВ-701 и ЕВ-702 — 40Х5КТ285А. На электропогрузчиках отечественного производства ЭП-201 и ЭП-202 применяют никель-железные аккумуляторные батареи 40ТНЖ-550-У2, а на ЭП-1631—34ТНЖ-500-У2.
В обозначениях свинцовых аккумуляторных батарей первые цифры указывают число аккумуляторных элементов в батарее, цифры перед буквами КТ — число положительных пластин в каждом аккумуляторном элементе, а буквы КТ с последующими цифрами — тип тяговых пластин. Если батарея состоит из отдельных секций, перед цифрами, указывающими количество аккумуляторных элементов, ставится еще цифра, например 2Х20Х Х5КТ285.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Обозначения никель-железных аккумуляторных батарей расшифровываются так: первые цифры указывают число аккумуляторных элементов в батарее, буквы Т —область применения (тяговый), НЖ — электрохимическую систему аккумулятора (никель-железный), цифры после букв — номинальную емкость аккумулятора в ампер-часах, буква У — климатическое исполнение, цифра 2 — категорию размещения.
Элемент аккумуляторной свинцовой батареи представляет собой эбонитовый бак, имеющий на дне подставку с ребрами, на которые опираются пластины и между которыми оседают выпадающие в процессе работы мелкие частицы активной массы. Положительные и отрицательные пластины — намазные. Пластины аккумулятора сгруппированы в отдельные комплекты, которые в свою очередь, собраны в блоки, при этом разноименные пластины отделены одна от другой двухслойными сепараторами из мипласта и стекловойлока.
Аккумуляторная батарея 2Х20Х5КТ285Г состоит из 40 последовательно соединенных аккумуляторных элементов. Схема соединения позволяет получать напряжение в 40 и 80 В. Батарея имеет габаритные размеры 982X937X497 мм и массу без электролита 750 кг. Срок службы батареи 800 циклов заряда-разряда до 80% номинальной емкости.
Батарея 2Х20Х5КТ285Е состоит из двух секций по 20 аккумуляторных элементов в каждой, установленных в стальном ящике. Батарея имеет габаритные размеры 1036Х696Х 460 мм и массу без электролита 707 кг. Срок службы батареи 800 циклов заряда-разряда до 80% номинальной емкости. Общее напряжение батареи 80 В.
Батарея 40Х5КТ285А состоит из 40 последовательно соединенных аккумуляторных элементов. Межэлементные соединения представляют собой сварную конструкцию. Пространство между стенкой бака и крышкой залито мастикой. Два полюсных вывода, обозначенные знаками « + » и «—», служат для соединения батареи с кабельными зажимами электротележки или погрузчика. Батарея имеет габаритные размеры 980X845X495 мм и iaccy без электролита 767 кг. Срок службы батареи 800 циклов заряда-разряда до 80% номинальной емкости.
Никель-железный или щелочной тяговый аккумулятор состоит из блока положительных и отрицательных электродов, изолированных друг от друга сепараторами. Положительным электродом является никелевый, отрицательным — железный. Блок помещают в бак из стали или пластмассы. На стальные баки надевают резиновые чехлы.
Рис. 1. Схемы соединений элементов в свинцовых батареях: а — 2Х20Х5КТ285Г, б — 2Х20Х5КТ285Е, в – 40Х5КТ285А
Аккумуляторная батарея 40ТНЖ-550-У2 смонтирована в стальном ящике, стенки и днище которого изолированы от аккумуляторов прокладками. В днище ящика имеются отверстия, через которые электролит в случае выплескивания его из аккумуляторов может выходить наружу.
Аккумуляторные батареи объединены в две секции по 20 аккумуляторов в каждой, соединенных последовательно стальными шинами. Батарея имеет четыре вывода (по два вывода от каждой секции), подсоединенных к двум штепсельным разъемам. На рис. 7, а показана схема соединения аккумуляторных элементов в батарею каждой секции. Каждый элемент имеет габаритные размеры 162,5×124,5×556 мм и массу без электролита 18,5 кг, с электролитом 25 кг.
Батарея 34ТНЖ-500-У2 состоит из 34 аккумуляторов ТНЖ-500-У2, размещенных в железном ящике, объединенных в две секции по 17 аккумуляторов в каждой и соединенных последовательно стальными перемычками. Батарея имеет четыре вывода (по два вывода от каждой секции), присоединенных к двум штепсельным разъемам. Каждый элемент имеет габаритные размеры 155×166,5×561 мм и массу без электролита 23,5 кг, с электролитом 30 кг.
Рис. 2. Схема соединений элементов в никель-железной батарее 40ТНЖ-550-У2 (а) и общий вид батареи 34ТНЖ-500-У2 (б)
Аккумуляторы изолированы один от другого резиновыми чехами, а от батарейного ящика — деревянными щитками, окрашенными битумным или асфальтовым лаком. Элементы соединены в батарею изогнутыми стальными никелированными перемычками с конусными наконечниками. Основные технические характеристики батарей приведены ниже.
Рекламные предложения:
Читать далее: Зарядные устройства
Категория: — Электротележки
Главная → Справочник → Статьи → Форум
АКБ
Я ПРИШЕЛ ВАМ ДАТЬ СВОБОДУ!
АКБ ДЕЛАЕТ НАС НЕЗАВИСИМЫМИ ОТ ЭЛЕКТРОРОЗЕТКИ
Каждую статью об инструменте мы сопровождаем советом его выбирать с учетом тех возможностей автономной работы, которые предоставляет аккумуляторная батарея (в том случае, конечно, если имеется мобильная версия инструмента данного типа). Но никогда ранее не говорили собственно о том, как выбрать саму батарею. А это важно, поскольку беспроводная техника, понятное дело, становится абсолютно беспомощной без надежно работающего аккумулятора. Да и ее стоимость во многом складывается из цены на источник питания.
Исправим допущенное упущение, и постараемся дать необходимые сведения о требованиях к качеству АКБ и о том, как обеспечить эффективность и долговременность работы работающей от аккумулятора техники.
Беспроводные инструменты – примета ХХI века! Сами аккумуляторные батареи появились раньше, и значительно, но достижимая ими емкость (количество энергии, которую способен отдать полностью заряженный аккумулятор, а, стало быть, время работы на одной зарядке) была никак недостаточной для обеспечения «жизнедеятельности» инструмента, а сами они были слишком громоздкие, тяжелые, токсичные и непозволительно дорогостоящие.
Но прогресс не стоит на месте, и пришло время, когда инструмент, работающий от мобильных источников питания, стал вполне конкурентоспособным в сравнении с образцами, оснащенными двигателями, питающимися от электросети, и даже работающими от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Причем, как в качестве альтернативного, так и в роли основного, то есть работающего не частично (как в первом случае), а полностью на питании от аккумулятора.
Разумеется, аккумуляторные образцы инструмента не могут похвастаться «мощами» своих сетевых аналогов, но… зато они предоставляют оператору свободу! Независимость от электросети. Теперь не надо думать, куда бы «воткнуться», чтобы вдохнуть в инструмент жизненные силы … Ведь источник жизнеспособности электроинструмента – сетевой источник питания (электророзетка) — далеко не всегда имеется под рукой. Даже поблизости. Так что зачастую до нее не дотянуться и с использованием удлинителя. С аккумуляторной техникой такой парализующей зависимости от электророзетки нет. К тому же за вами не будет волочиться «шлейф» удлинителя, который вечно за что-то цепляется и повреждение которого может привести к электротравме.
Словом, мобильность инструмента на батареях делает работу более безопасной и производительной.
Сегодня на аккумуляторах достаточно эффективно трудится не только инструмент разных типов (ножовки, лобзики, степлеры, дрели, шуруповерты, болгарки, перфораторы, дисковые и сабельные пилы, вибраторы, шлифовальные машины и др.), но и самая разнообразная бытовая техника – пылесосы, миксеры, блендеры… Мощности современных аккумуляторов хватает на садовое оборудование – триммеры и газонокосилки… Даже на снегоуборщики.
Стоит ли долго распространяться о важности правильно подобранного аккумулятора для эффективности и срока службы работающей на его питании техники?!
На наши комплименты мобильной техники могут заметить, что, мол, свобода – штука относительная, и мобильность, предоставляемая оператору аккумуляторной батареей, не больше… ее емкости! Это действительно так. И эта проблема усугубляется тем, что часто у оператора нет доступа к электросети, чтобы произвести очередную подзарядку инструмента и тем самым вернуть его в работоспособное состояние. Поэтому емкость батареи является основным параметром ее качества. Жизненно важным! Впрочем, жизненно не важных параметров качества у аккумулятора быть не может. Поэтому расскажем обо всех технических характеристиках аккумуляторных батарей.
ЧТО В «ЧЕРНОМ ЯЩИКЕ»
Чтобы разобраться с критериями качества, «разберем» аккумулятор на составляющие, и увидим, что устройство состоит из трех блоков. Это – корпус, плата управления и аккумуляторные ячейки. Поскольку в магазине нам разобрать аккумулятор никто не позволит (да и это, понятно, невозможно!), оценить «у прилавка» мы можем разве что его корпус. Но и это достаточно информативно, поскольку очевидное требование мобильной техники к аккумулятору — по габаритам и массе: он должен быть как можно компактнее и легче! Конечно, не в ущерб силовым характеристикам. Как сопоставить эти параметры, расскажем ниже. А сейчас обратим внимание на необходимость при приобретении аккумулятора убедиться в физической прочности его корпуса. Литий-ионные аккумуляторы, сильно нагреваемые при зарядке, должны иметь корпус из материалов, хорошо отводящих тепло, оборудованы специальными стержнями и каналами/отверстиями для принудительной вентиляции. Негативно сказывается на работоспособности аккумулятора и низкие температуры.
Характеристики Емкость
Если вы хотите знать время, которое сможете работать с приобретаемым аккумулятором без прерывания производственного процесса на дозарядку, вас должна интересовать его ЕМКОСТЬ.
Исходя из названия этого параметра (емкость), его можно истолковать как «вместимость». В принципе так оно и есть. Это способность устройства накапливать, аккумулировать электрический заряд. Характеризует количество энергии, которую полностью заряженный аккумулятор способен отдать своему потребителю для обеспечения его работы. Этот показатель, измеряемый в ампер-часах (А*ч), позволяет оценить возможную продолжительность работы устройства питания с определенной нагрузкой без его подзарядки.
Емкость в среднем составляет порядка 1,2–4 А*ч.
Время разряда определяется делением показателя емкости батареи на величину тока (А), который потребляет питающийся от нее инструмент.
Чем выше емкость аккумулятора, тем больше время его работы, больше эффективность (при одинаковой нагрузке). Вместе с тем, больше и его габариты. Старайтесь найти компромиссное решение, соотнося реализованную в устройстве емкость с возможностью его установки в привод на оборудовании, для которого он приобретается.
Энергоемкость
Бывает, что приводится параметр, измеряемый в Вт·ч/кг. Этот показатель (отношение удельной энергии к массе устройства), в отличие от емкости, называют энергоемкостью.
Токоотдача
Токоотдача – скорость, с которой аккумулятор отдает потребителю ток без угрозы для собственного разрушения. Да, чересчур стремительная токоотдача аккумулятора, на то не рассчитанного, приводит к его повреждению. Так что если вы купите «не тот», его может не хватить и на один-единственный раз! Чтобы этого не случилось, нужно руководствоваться параметром «токоотдача», обозначаемым на батарее цифрой с латинской буквой «С» (4С, 10С, 20С). Численное значение дает нам представление о допустимой скорости разряда.
Отсюда следует важнейшее правило – аккумулятор приобретается и используется в строгом соответствии с его назначением и, соответственно, требованиями изготовителя мобильного инструмента к рекомендуемому им источнику питания.
Напряжение
В аккумуляторах — от 3,6 В до 36 В. Параметр, предопределяющий показатель мощности и, стало быть, функционал инструмента — максимальный крутящий момент или скорость (частоту).
Масса и габариты
Чем меньше один и другой параметры, тем проще управиться с инструментом, тем качественнее результат работы.
Диапазон рабочих температур
Аккумуляторы плохо переносят высокие и низкие температуры. Оптимальная среда 20°C, именно в таких условиях производители обычно измеряют рабочие характеристики.
Срок службы
Количество возможных циклов заряда-разряда до критической потери ёмкости.
Эффект памяти аккумулятора (или же: обратимая потеря емкости)
Таким термином обозначается не лучшее для пользователя свойство некоторых типов электрических аккумуляторов — не отдавать потребителю ток полностью. К возникновению такой «прижимистости» приводят нарушения пользователем рекомендованного изготовителем режима эксплуатации, когда производится подзарядка не полностью разрядившегося устройства. Аккумуляторы, как бы, запомнив, что их емкость не была использована полностью, в последующем отдают ток в том же «экономном» количестве. Отсюда, по ассоциации с памятью человека, «физиологическое» название этого свойства некоторых типов электрических аккумуляторов (каких именно, уточним ниже).
Саморазряд
Постепенная потеря заряда при отсутствии нагрузки присуща аккумуляторам всех типов. Допустимым показателем считается суточная потеря не более 1% ёмкости.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)
NiCd батареи неприхотливы в эксплуатации. Эксплуатируются в диапазоне температур от -20 до +60 градусов. Выдерживают большие нагрузки. Могут разряжаться высокими токами и быстро заряжаться без сильного нагревания. Рассчитаны на большое количество циклов «заряда/разряда» (1000–1500).
Теперь о минусах. Во-первых, ярко выраженный «эффект памяти», так что для поддержки хорошей функциональности им каждый раз необходима полная разрядка. Громоздки и массивнее батарей других типов. Но главный негатив — высокая токсичность кадмия, обуславливающая необходимость очень осторожного с ними обращения и проблемы утилизации.
Никель-металлогидридные батареи (NiMH)
NiMH батареи. Высокие экологические требования последних лет мотивировали изготовителей к созданию более экологичных никель-металлогидридных батарей. Однако одной лишь малой токсичностью их достоинства, разумеется, не исчерпываются.
Практически отсутствует злополучный «эффект памяти». При тех же силовых показателях они легче и компактнее своих предшественников. Энергоемкость на треть и более выше. Достаточно широкий диапазон рабочей температуры — от −40 до +55°C.
За выше перечисленные качества приходится мириться с таким минусами, как закономерно более высокая цена, но при этом меньшее количество циклов перезарядки (до 700), вдвое возросший уровень саморазряда, сильный нагрев при зарядке и длительность этой процедуры. Небольшой срок службы.
Условие хранение – температура, немногим выше нуля (можно в холодильнике).
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)
Последнее слово науки и технологий, во всяком случае, на день написания этого текста – литий ионные аккумуляторы.
Высокие емкость (до 4А*ч) и энергоемкость (электрическая плотность) — до 200Вт·ч/кг. Напряжение до 36В обеспечивает высокую удельную мощность.
Число перезарядок – 1500 и выше.
Сюрприза в виде «эффекта памяти» можно более не опасаться, так что зарядку можно производить, независимо от степени разряженности аккумулятора, то есть при первом же удобном случае, не дожидаясь, когда емкость будет исчерпана до дна.
Саморазряд, практически, можно не принимать во внимание.
При близких значениях энергетических показателей с аналогами — меньше масса и габариты.
Время зарядки – 60 минут.
Литий-ионные аккумуляторы пожароопасные, поэтому разумно приобретать образцы, оснащенные контроллером заряда, не допускающим критическое превышение уровня напряжения и температуры (перегрева). Выключение устройства при перегрузках — необходимое условие сохранения работоспособности аккумуляторов без снижения уровня значений их технических характеристик, сказывающегося на производительности инструмента.
Если вы собираетесь в горы, то имейте в виду, что литий-ионные аккумуляторы зависимы не только от температуры окружающей среды, но и от атмосферного давления, понижение которого может привести к уменьшению емкости.
Литиевые батареи травматичны. Поэтому приобретая беспроводный инструмент на такой батарее, проверьте, защищено ли устройство на случай ударов/падений.
К отказам в работе беспроводного инструмента могут привести потери контакта подсоединения батареи при вибрациях. Поэтому стоит поинтересоваться, реализована ли в приобретаемом вами изделии система так называемого многоконтактного крепления, обеспечивающая надежное подсоединение аккумулятора.
В числе недостатков аккумуляторов этого типа — чувствительность к рабочей температуре и глубокой разрядке; ограниченный срок; дороговизна на данном этапе.
Хранить аккумуляторы следует в частично заряженном состоянии (порядка 40%). Литий-ионные – при комнатной температуре.
Впрок аккумуляторы приобретать не стоит, так как в ожидании своего часа они теряют емкость и приходят в негодность.
Аккумуляторы
В Ростест-Москва испытываются:
- элементы питания
- батареи первичные
- аккумуляторы
- батареи аккумуляторные щелочные и кислотные
Как условия эксплуатации сказываются на АКБ, или история чудесного воскрешения
Для проведения диагностики и обслуживания к нам поступили 8 аккумуляторных батарей (АКБ) EnerSys PowerSave V 12V92F номинальным напряжением 12 В и емкостью 92 Ач (в режиме 8-часового разряда)(рис.1).
Рис. 1. Аккумуляторные батареи EnerSys PowerSave V 12V92F
Данные АКБ произведены в апреле 2007 года. Эксплуатировались они в системе бесперебойного питания в составе двух батарей по 4 АКБ. АКБ в каждой из двух батарей соединялись последовательно. Для удобства и понимания читателя условимся называть одну единицу EnerSys PowerSave V 12V92F «АКБ», а сборку из последовательно соединенных АКБ «батареей».
Стоит заметить, что каждая батарея была установлена на полку стеллажа, причем батарея №1 была ниже, а батарея №2 — выше. Прямо на месте с помощью анализатора батарей АЕА-30V были проведены контрольные измерения параметров всех АКБ. Результаты измерения показали, что внутренние сопротивления АКБ в составе батареи №1 (той, что ниже) находятся в диапазоне от 10,28 до 17,41 мОм, а АКБ из батареи №2 (той, что выше) — от 13,48 до 19,09 мОм (гистограммы со значениями напряжений и внутренних сопротивлений АКБ из батарей №1 и №2 см. на рис. 2). Согласно документации на АКБ, ее внутреннее сопротивление должно быть не выше 5,05 мОм.
На рис. 2 видно, что сопротивление АКБ из батареи №1 в среднем ниже, чем сопротивление АКБ из батареи №2. Объяснить это несложно: батарея №1 в течение всего срока эксплуатации находилась на нижней полке стеллажа – а температура там ниже, чем на верхней полке, где была установлена АКБ №2.
Рис. 2. Параметры АКБ, установленных в батареи №1 и №2 до проведения КТЦ
Учитывая дату изготовления АКБ и длительный срок эксплуатации, было принято решение добавить в каждый элемент каждой АКБ по 100 мл дистиллированной воды.
Контрольно-тренировочные циклы (КТЦ – разряд/ заряд) проводились на специализированном оборудовании Активатор ЭХИП AEAC-12V. Разряд проводился согласно требованиям ГОСТ 53165 — 2008 п. 9.2.2 «Контроль резервной емкости» и документации на АКБ – то есть, АКБ разряжалась током 25 А до напряжения 10,5 В.
В результате разряда (КТЦ №1) АКБ из батарей №1 и 2 были измерены значения резервной емкости RС и разрядной емкости Qd (табл. 1).
Таблица 1
Согласно документации на АКБ, ее резервная емкость RC должна составлять 180 мин.
Далее в ходе КТЦ №1 АКБ заряжались реверсивным ступенчатым током со стабилизацией по напряжению на последней ступени. При этом каждой АКБ была передана емкость Qch 90 Ач.
После проведения КТЦ №1 внутренние сопротивления АКБ из батареи №1 приняли значения от 7,77 до 10, 76 мОм, АКБ батареи №2 – от 9,8 до 14,61 мОм (рис. 3).
Рис. 3. Параметры АКБ батарей №1 и 2 после проведения КТЦ №1
Результаты обнадеживающие – значения внутреннего сопротивления заметно снизились. Мы решили провести второй КТЦ.
По окончании контрольного разряда КТЦ №2 были получены значения резервной емкости RC и разрядной емкости Qd (табл. 2).
Таблица 2
После разряда АКБ вновь заряжались реверсивным ступенчатым током. При этом каждая из них получила заряд емкостью Qch от 70 до 100 Ач.
После КТЦ 2 внутренние сопротивления АКБ из батареи №1 приняли значения от 7,77 до 11,72 мОм, АКБ из батареи №2 – от 10,24 до 17,36 мОм (рис. 4).
Рис. 4. Параметры АКБ из батарей №1 и 2 после проведения КТЦ №2
Из данных, приведенных в табл. 2 и рис. 4 видно, что наилучшими параметрами (низкое внутреннее сопротивление и высокая резервная емкость) обладают АКБ №1, 2 и 3 из батареи №1 и АКБ №3 из батареи №2. На основании этих данных мы решили провести дополнительный КТЦ №3 только для этих АКБ.
Контрольный разряд в ходе КТЦ №3 показал, что резервная емкость RC этих АКБ несколько возросла (табл. 3).
Таблица 3
После КТЦ 3 внутренние сопротивления АКБ №1, 2 и 3 из батареи №1 и АКБ №3 из батареи №2 приняли значения от 8,19 до 11,71 мОм (рис. 5).
Рис. 5. Параметры АКБ №3 из батареи №1 и АКБ №3 из батареи №2 после проведения КТЦ №3
В ходе заряда были выявлены дефекты АКБ № 4 из батареи №1 и АКБ №2 и 4 из батареи №2. Дефекты проявляется пульсацией зарядного напряжения с амплитудой 150 – 200 мВ (рис. 6 — 8). Такие колебания, вероятно, связаны с пробоем сепаратора, разделяющего электроды АКБ.
Рис. 6. График напряжения на АКБ №4 батареи №1 (ток заряда 1 А)
Рис.7. График напряжения на АКБ №2 батареи №2 (ток заряда 5 А)
Рис. 8. График напряжения на АКБ №4 батареи №2 (ток заряда 1 А)
Выводы:
1. АКБ № 4 из батареи №1 и АКБ №2 и 4 из батареи №2 имеют дефекты. Не рекомендовано включать данные АКБ в одну батарею с исправными. Проявление дефекта может негативно сказаться на характеристиках исправных АКБ.
2. По результатам трех КТЦ резервная емкость АКБ №1, 2 и 3 из батареи №1 составила ~83 % (148 – 157 мин) от заявленной производителем емкости (180 мин). Прочие батареи показали меньшие значения резервной емкости (от 82 до 109 мин), что составляет 46 – 61 % от заявленной производителем емкости. По параметру внутреннего сопротивления согласуются АКБ №1, 2 и 3 из батареи №1 и АКБ №3 из батареи №2. Однако, как видно из таблицы 3, АКБ №3 из батареи №2 имеет куда меньшую реальную емкость.
3. АКБ, кроме упомянутых в п.1, исправны и пригодны к эксплуатации.
4. Для поддержания текущих значений резервной емкости АКБ необходимо проводить их обслуживание (десульфатацию) каждые 6 месяцев.
5. Температура окружающей среды оказывает влияние на эксплуатационные характеристики АКБ – так, данные АКБ следует эксплуатировать в кондиционируемом помещении.
Список используемого оборудования:
1. Мультиметр HP3457A
2. Анализатор AEA30V
3. Активатор AEAC-12V
Система управления и мониторинга состояния АКБ
Источники бесперебойного питания (ИБП) и выпрямители, обычно используемые в промышленности, и электронное оборудование, используемые в нашей повседневной жизни, содержат в качестве резервного источника электропитания аккумуляторные батареи (АКБ), параметры которых зависят от их ёмкости и времени необходимой автономной работы. Работоспособность и производительность таких АКБ имеет жизненно важное значение для обеспечения бесперебойного электропитания критически важного оборудования, при этом батареи являются дорогостоящим элементом систем бесперебойного электропитания.
Скачать каталог
Потенциальные причины отказов групп АКБ
- Несбалансированность элементов АКБ, возникающая после первой установки или вызванная раннимстарением / поломкой батарей
- Сульфатация пластин, вызванная недостаточной зарядкой АКБ
- Перегрев и выброс газообразного водорода, вызванный перезарядом
- Перегрев, вызванный пульсацией и превышением тока заряда
- Неисправность АКБ, вызванная глубоким разрядом
- Перегрев вызванный дисбалансом тока между параллельными группами АКБ
Несбалансированность элементов АКБ, возникающая после первой установки или вызванная ранним старением / поломкой батарей
Батареи, подключаемые последовательно в одну линейку должны иметь одинаковые характеристики и даты выпуска. Если батареи хранились в разных условиях или использовались ранее в разных системах, их не следует подключать последовательно в одну цепь, даже если они принадлежат к одной и той же марке и модели, и имеют одинаковые даты выпуска. В противном случае, из-за разницы во внутреннем сопротивлении приложенное напряжение будет распределяться между АКБ неравномерно, поэтому некоторые батареи будут перезаряжены.
Поскольку напряжение в линейке будет распределяться между батареями неравномерно, то при увеличении значений полного сопротивления некоторых батарей по сравнению с другими из-за преждевременного старения, подверженные перезарядке батареи будут перегреваться. У батарей с пониженным напряжением ускорится процесс сульфатации, что приведет к их ускоренному старению.
Сульфатация пластин, вызванная недостаточной зарядкой АКБ
В процессе разряда свинцово-кислотных батарей на пластинах, в зависимости от глубины разряда, выпадает некоторое количество кристаллов сульфата, а при правильном полном заряде эти кристаллы растворяются в электролите АКБ. При постоянном недостаточном перезаряде батарей накопление сульфата происходит быстрее, и аккумулятор со временем становится непригодным для использования. Необходимо постоянно контролировать уровень напряжения в буферном режиме подзаряда и поддерживать его в пределах, установленных производителем аккумулятора, чтобы продлить срок службы батарей. В случае изменения параметров напряжения буферного заряда необходимо своевременно реагировать на это отклонение.
Перегрев и выброс газообразного водорода, вызванный перезарядом
Если зарядное напряжение в течение длительного периода превышает номинальное значение, указанное производителем, батарея перегревается, и возникающее тепло разрушает химическую структуру батареи, вызывая выделение газообразного водорода и деформацию (расширение) корпуса батареи. Разрушение корпуса может приводить к утечке электролита, возникновению токов утечки на землю и пожару. Кроме того, выделяющийся газообразный водород после является взрывоопасным, что требует немедленного применения экстренных мер по ликвидации аварийной ситуации.
Перегрев, вызванный пульсацией и превышением тока заряда
Тепловой разогрев батарей может возникать из-заповышенного тока заряда или его высокого уровня пульсаций. Повышенная температура батарей логарифмически уменьшает срок их службы. Для того,чтобы батарей отработали ожидаемый расчетный срок службы, необходимо постоянно контролировать их температуру. Зависимость предполагаемого срока службы батарей от температуры их эксплуатации приведена на графике ниже.
Неисправность АКБ, вызванная глубоким разрядом
При достижении нижнего предельного значения напряжения АКБ в процессе разряда, установленного производителем, операция разряда должна быть прекращена. В противном случае химическая структура батареи будет необратимо повреждена. Необходимо контролировать нижний уровень напряжения каждого элемента в процессе разряда, поскольку из-за возможного дисбаланса напряжения на элементах могут существенно различаться.
Перегрев, вызванный дисбалансом тока между параллельными группами АКБ
Батареи могут соединяться последовательно в одну линейку (для увеличения уровня напряжения батарейного массива), или параллельно (в том числе последовательные линейки), для увеличения общей емкости системы. Из-за дисбаланса характеристик АКБ в параллельных группах зарядный ток между ними может распределяться неравномерно, что может приводить к повышенному току в одной из линеек, и соответственно, к перегреву этой группы. Для предотвращения преждевременного старения и выхода из строя АКБ необходимо непрерывно контролировать распределение тока между параллельными группами батарей.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ БАТАРЕЙ КОМПАНИИ ИМПУЛЬС
Принимая во внимание вышеупомянутые причины, необходимо постоянно и непрерывно контролировать состояние батарей и предпринимать соответствующие действия при любой нештатной ситуации. Главный контроллер системы BMS встраивается непосредственно в ИБП ИМПУЛЬС ТРИАТЛОН, источник бесперебойного питания при наступлении критичных событий может автоматически отключать АКБ от системы, не допуская их фатального повреждения. Системы мониторинга и управления батареями ИМПУЛЬС предназначены для непрерывного мониторинга всех параметров, перечисленных ниже, и для защиты групп батарей от возможных неисправностей благодаря блоку мониторинга, подключенному к каждой батарее.
- Постоянный контроль температуры.
- Постоянный контроль напряжения.
- Балансировка элементов.
- Мониторинг текущего состояния и степени работоспособности батарей (SOH)
- Мониторинг и расчет текущего значения емкости (SOC)
- Контроль тока утечки на землю.
- Контроль распределения тока между параллельными линейками АКБ.
Постоянный контроль температуры
Температура батареи — один из важнейших параметров, информирующих нас о состоянии батареи. Для каждой батареи в системе управления батареями установлен 1 датчик температуры, указанный датчик прикреплен к батарее, и температура батареи контролируется непрерывно. Система позволяет настроить сигнал тревоги при достижении первого установленного значения температуры и сигнал отключения АКБ при достижении критического уровня температуры. Кроме того, информация о температуре батареи используется для температурной компенсации заряда
Постоянный контроль напряжения
Блок контроля батареи подключается непосредственно к силовым клеммам АКБ и непрерывно передает уровень напряжения в главный контроллер ИБП. Для каждой АКБ могут быть настроены критичные пороги напряжений выдачи аварийных сообщений или отключения батарей.
Балансировка элементов
Дисбаланс элементов батарейной системы приводит к ускоренному старению АКБ. Благодаря функции балансировки зарядный ток распределяется между батареями с учетом их текущего уровня напряжения. Благодаря перераспределению заряда между батареями АКБ с высоким напряжением защищены от перенапряжения, а батареи с пониженным напряжением получают дополнительный подзаряд, напряжение на всех АКБ в цепи балансируется. Таким образом, независимое регулирование заряда обеспечивается для всех батарей в группе.
На приведенных выше графиках показано, что зарядные напряжения аккумуляторов с разными начальными напряжениями сбалансированы во времени и обеспечивается защита от перезаряда / недостаточного заряда каждой АКБ в группе.
Мониторинг текущего состояния и степени работоспособности батарей (SOH)
К концу срока службы внутреннее сопротивление батареи возрастает. Измерение полного сопротивления батареи крайне эффективно для определения состояния батареи и дает точные результаты. В случае увеличения сопротивления батареи на 30% рекомендуется заменить батарею. Система контроля батарей ИМПУЛЬС регулярно измеряет сопротивление батарей и сравнивает его с контрольным значением. Когда значения сопротивления выходят за установленные пределы, выдается соответствующий информационный сигнал о необходимости замены АКБ.
Мониторинг и расчет текущего значения емкости (SOC)
Состояние заряда батареи — это индикатор, показывающий какое время автономной работы критичной нагрузки может обеспечить система АКБ. Для правильного планирования необходимо знать текущий уровень емкости батареи (в процентах по отношению к новым АКБ). Система управления батареями рассчитывает текущий уровень емкости и заряда и информирует пользователя о доступном времени автономного питания критичной нагрузки.
Контроль тока утечки на землю
Детектирование замыкания цепей АКБ на землю, которое может быть вызвано утечкой электролита из батарей гарантирует минимизацию рисков несчастного случая и пожара, которые могут привести к серьезным последствиям, благодаря своевременному обнаружению токов утечки. При обнаружении датчиками тока, которые могут быть дополнительно установлены на блоках контроля АКБ система может предотвратить возникновение опасных уровней токов замыкания на землю путем своевременного обнаружения и выдачи соответствующих тревог.
Контроль распределения тока между параллельными линейками АКБ
Токи, протекающие в параллельных линейках АКБ, контролируются с помощью датчиков тока, установленных в цепи каждой линейки. При обнаружении дисбаланса токов система выдает предупреждающие сообщения.
КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
Модуль измерения и балансировки- Производит измерения параметров отдельной АКБ и передает информацию главному блоку системы.
- Эргономичный дизайн позволяет легко прикреплять и снимать его с АКБ, а также обеспечивает удобство установки и обслуживания.
- Обеспечивает получение необходимых данных и результатов измерений для модуля.
- Предназначен для получения точных результатов измерений и обеспечения безопасности системы.
- Стандартная длина 20см. Клеммы подключения могут быть выбраны в соответствии с типом батареи.
- Позволяет измерять температуру в любой точке батареи.
- Стандартная длина составляет 10 см. Опционально может быть изготовлен с требуемой длиной.
- Обеспечивает информационную связь между модулями и главным модулем системы.
- Может быть изготовлен с индивидуальной длиной в соответствии с типом батарей и местом размещения.
- Отображает напряжения, температуры, процент дисбаланса, внутреннее сопротивление АКБ, состояние АКБ и модулей мониторинга.
- Могут быть установлены пороговые значения для напряжений, температур и внутренних сопротивлений. При превышении лимитов будут генерироваться аварийные сообщения.
- Параметры передаются по протоколу Modbus, состояния и ошибки могут контролироваться дистанционно.
Емкость накопителя:
Определяет количество часов, в течение которых батарея может быть разряжена постоянным током до определенного напряжения отключения. Он представлен кулоновской единицей СИ (Амперы в секунду), но поскольку эта единица обычно очень мала, вместо нее используется единица ампер-часов (Ач) (1 Ач соответствует 3600 C).
Значение этой емкости зависит от температуры окружающей среды, возраста аккумулятора и скорости разряда.Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость, хотя это влияет на разные технологии аккумуляторов по-разному. В дополнение к единице ампер-часов, емкость аккумулятора также может быть определена в ватт-часах (Втч = В x Ач), где 1 Втч представляет 3600 Дж.
Плотность энергии:
Плотность энергии — это количество энергии, которое может храниться на кубический метр объема батареи, выраженное в ватт-часах на кубический метр (Втч / м3). Это очень важный параметр для выбора конкретной аккумуляторной технологии для транспортных приложений, где критически важно наличие места.
Удельная мощность:
Этот параметр определяется как мощность на килограмм батареи в Вт / кг. Некоторые аккумуляторные технологии предлагают высокую плотность энергии, но низкую удельную мощность, а это означает, что, хотя они могут хранить большое количество энергии, они могут мгновенно подавать только небольшое количество энергии. С точки зрения транспорта это означало бы, что транспортное средство может двигаться на большие расстояния с небольшой скоростью. Напротив, батареи с высокой удельной мощностью обычно имеют низкую плотность энергии, потому что высокие токи разряда обычно быстро уменьшают доступную энергию (например,g., высокое ускорение)
Напряжение элемента:
Напряжение элемента определяется равновесными термодинамическими реакциями, происходящими внутри элемента, однако это значение часто трудно измерить, и, следовательно, напряжение холостого хода Вместо этого используется (OCV), измеренный между анодными и катодными выводами. Для некоторых технологий аккумуляторов (например, свинцово-кислотных) OCV можно использовать как базовую оценку состояния заряда (SoC). Другой часто используемый показатель — это напряжение замкнутой цепи (CCV), которое зависит от тока нагрузки, состояния заряда и истории использования элемента.Наконец, производители аккумуляторов предоставляют номинальное значение напряжения на основе характеристик элемента и, следовательно, не могут быть экспериментально подтверждены
Ток заряда и разряда:
Во время процесса разрядки в аккумуляторе электроны текут от анода к катоду. через нагрузку, чтобы обеспечить требуемый ток, и цепь замыкается в электролите. Во время процесса зарядки внешний источник подает зарядный ток, и окисление происходит на положительном электроде, в то время как восстановление происходит на отрицательном электроде.Для практических целей термин C-rate используется для выражения тока заряда или разряда относительно номинальной емкости. Например, скорость разряда 1 C означает, что аккумулятор полностью разрядится за 1 час.
Состояние заряда:
Состояние заряда (SoC) определяет количество накопленной энергии относительно общей емкости накопления энергии батареи. В зависимости от технологии батареи для оценки этого значения используются разные методы.
Глубина разряда:
Часто называемый DoD (в%), этот параметр выражает емкость разряженной батареи относительно максимальной емкости. Каждая технология аккумуляторов поддерживает различные максимальные рекомендуемые уровни DoD, чтобы минимизировать его влияние на общий срок службы.
Срок службы:
Срок службы определяет количество циклов зарядки / разрядки, которое может выдержать аккумулятор, прежде чем он достигнет заданной энергоемкости или других критериев производительности.Текущая скорость, с которой аккумулятор заряжается / разряжается, а также условия окружающей среды (например, температура и влажность) и DoD могут повлиять на это число, поскольку оно изначально рассчитывается производителем на основе конкретных условий заряда и разряда.
Саморазряд:
Этот параметр определяет снижение энергоемкости аккумулятора в условиях холостого хода (например, разомкнутой цепи) в результате внутренних коротких замыканий и химических реакций.Этот параметр может зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность, а также от DoD и истории заряда / разряда аккумулятора. Кроме того, этот параметр особенно важен при длительном хранении аккумуляторов на полках.
КПД в оба конца:
Из-за внутренних потерь и ухудшения качества материала не вся энергия, подаваемая в аккумулятор во время зарядки, может быть восстановлена во время разрядки. Количество энергии, которое может быть получено от батареи во время процесса разрядки по сравнению с поданной энергией, определяет эффективность двустороннего переключения.Этот КПД чувствителен к токам заряда и разряда. При более высоких токах увеличиваются тепловые потери и, следовательно, снижается эффективность
Совместная оценка параметров литий-ионной батареи и состояния заряда с использованием метода наименьших квадратов компенсации смещения и альтернативного алгоритма
Для безопасной и эффективной работы электромобилей (электромобилей) аккумулятор система управления имеет важное значение. Тем не менее, проблема, лежащая в основе систем управления батареями, заключается в том, как получить алгоритм оценки состояния заряда (SOC), который имеет как высокую точность, так и низкие вычислительные затраты.Для этого в статье предлагаются параметры батареи и алгоритм совместной оценки SOC, основанный на методе наименьших квадратов компенсации смещения и альтернативном (BCLS-ALT) алгоритме. Параметры модели батареи идентифицируются онлайн с использованием метода наименьших квадратов компенсации смещения (BCLS), в то время как SOC оценивается с использованием альтернативного (ALT) алгоритма, который может переключать вычислительную логику между H-бесконечным фильтром (HIF) и интегралом в ампер-часах ( AHI) для повышения вычислительной эффективности и точности.Результаты экспериментов показывают, что точность SOC, оцененная алгоритмом BCLS-ALT, является наивысшей, а вычислительная эффективность также высока, с порогом переключения SOCALT, установленным на 25%. Несмотря на 20% начальную ошибку и 10% дрейфа тока, предложенный алгоритм BCLS-ALT может обеспечить высокую точность и надежность оценки SOC при различных температурах окружающей среды и профилях динамической нагрузки.
1. Введение
В качестве систем хранения энергии литий-ионные батареи имеют значительные преимущества с точки зрения удельной мощности [1], скорости саморазряда [2], плотности энергии [3, 4] и срока службы по сравнению с другими батареями. типы батарей [5, 6].По этим причинам они широко используются в электромобилях [7, 8]. Для пользователей безопасность и надежность аккумуляторных систем хранения энергии электромобилей имеют решающее значение [9, 10]. Одним из предварительных условий обеспечения безопасности аккумуляторной системы накопления энергии является эффективная и точная оценка SOC аккумуляторов [11, 12]. С этой целью исследователи приложили огромные усилия для разработки многих ценных методов оценки SOC [13], таких как методы на основе таблиц поиска [14], интегральные методы ампер-часов [15], методы оценки на основе моделей [16]. ] и методы оценивания, основанные на данных [17, 18].Метод на основе поисковой таблицы — это самый простой алгоритм для получения SOC. Метод AHI — широко используемый метод оценки SOC в системах управления батареями (BMS). Однако первый из них имеет строгие требования к измерению напряжения холостого хода (OCV), поэтому трудно достичь эффективной оценки SOC, в то время как последний зависит от начального значения SOC и погрешности измерения тока, поэтому трудно гарантировать точность измерения. Оценка SOC. Методы, управляемые данными, требуют больших наборов данных для обучения алгоритмов, но получить достаточное количество обучающих наборов данных сложно.По сравнению с другими методами, метод, основанный на модели, является наиболее популярным для оценки SOC, и он более надежен и точен в отношении оценки. Среди методов, основанных на моделях, нельзя игнорировать тот факт, что алгоритм HIF и его улучшенные формы обладают превосходной надежностью и адаптируемостью. В настоящее время можно обнаружить, что ученые провели множество исследований алгоритма HIF. В исследовании Xia et. al. [19], эксперименты показывают, что сильный отслеживающий фильтр H-бесконечности может хорошо справляться с неблагоприятными эффектами шумов измерения и начальной ошибки в результатах оценки SOC.Двойные фильтры H-бесконечности могут сходиться к эталонному значению в пределах 2% [20]. Расширенный фильтр Калмана H-бесконечности может более точно оценивать SOC в большом диапазоне [21, 22]. В исследованиях Sun et. Ал и Чархгард и Зариф [23, 24], адаптивный H-бесконечный фильтр также может хорошо работать при решении параметров модели батареи. В исследовании Yu et. al. [25] комбинация H-бесконечности и фильтров Калмана без запаха для оценки SOC сочетает в себе преимущества двух алгоритмов. Хотя вышеупомянутые алгоритмы оценки SOC обладают высокой точностью, быстрой сходимостью, отличной устойчивостью и адаптируемостью, они все же потребляют большое количество вычислительных ресурсов.Бортовая BMS обычно имеет ограниченную вычислительную мощность, поэтому ее трудно применить во встроенной BMS [19]. В результате наиболее сложной проблемой при разработке алгоритма оценки SOC является получение алгоритма, который имел бы как высокую точность, так и низкие вычислительные затраты. Учитывая оптимизацию ресурсов и баланс вычислительной нагрузки, в [26–28] предлагается многомодельный переключающий метод оценки SOC для литий-ионных аккумуляторов. Результаты экспериментов показывают, что точные результаты оценки и разумное время выполнения программы могут быть получены с помощью метода оценки SOC с многомодельным переключением.Это связано с тем, что внешнее электронное поведение, старение и температура литий-ионных батарей могут быть хорошо аппроксимированы моделью батареи [29–31], и может быть получена высокоточная оценка SOC. Хотя в методе оценки SOC с многомодельным переключением существует много типов моделей, условия практического применения могут меняться. Если типов модели батареи недостаточно, трудно добиться хороших результатов применения. В исследовании Tang et. al. В [32] предлагается подход к оценке SOC с переключением множества коэффициентов усиления.Общие проблемы, такие как неточность локальной модели, дрейф датчика тока и насыщение данных, могут быть преодолены. Однако в практических приложениях условия эксплуатации батареи сложны, и ограниченный выигрыш трудно адаптировать к неопределенным условиям эксплуатации. В исследовании Liu et. al. В [11] предлагается альтернативный алгоритм, сочетающий адаптивный расширенный фильтр Калмана и метод счета ампер-часов для повышения точности и снижения вычислительных затрат. Однако фильтрация Калмана работает в предположении шума с нулевым средним [33–35], что в действительности трудно удовлетворить [19].Бесконечный фильтр H имеет относительно высокую надежность и высокую точность оценки SOC при неизвестных характеристиках измерения шума [25]. Поэтому, чтобы повысить точность оценки SOC и снизить вычислительные затраты, для оценки SOC в этой работе выбран альтернативный алгоритм, сочетающий HIF и метод AHI. Для идентификации параметров модели эквивалентной схемы (ECM) обычно используемые методы включают генетический алгоритм (GA), оптимизацию роя частиц (PSO) и рекурсивный метод наименьших квадратов (RLS) [13].Среди вышеперечисленных методов широко используется RLS из-за простой, стабильной и низкой вычислительной стоимости. Но с увеличением количества данных в рекурсивном процессе на точность идентификации будут влиять старые данные, что приведет к большим ошибкам [36]. Кроме того, RLS очень эффективен в борьбе с белым шумом, но если это цветной шум, оценка RLS будет неточной [37]. Для решения вышеупомянутых проблем появляется метод наименьших квадратов компенсации смещения (BCLS), который может использовать члены компенсации для уменьшения ошибок и поддержания высокой вычислительной эффективности [38, 39].В исследовании Чена [38] сравниваются результаты алгоритма BCLS и алгоритма RLS. В случае одних и тех же начальных параметров для цветного шума алгоритм BCLS имеет значительное преимущество в точности оценки. Это связано с тем, что алгоритм BCLS может применять условия компенсации для уменьшения смещения, вызванного алгоритмом RLS. В исследовании Li et. al. [40], модель, идентифицированная RLS, является необъективной и адекватно проверена. Для повышения точности идентификации используется BCLS. BCLS может компенсировать смещения идентификации модели, вызванные шумами, возникающими при измерениях как напряжения, так и тока.Результаты моделирования и экспериментов показывают эффективность алгоритма BCLS [40, 41]. На практике часто встречается цветной шум [42, 43]. Избежание помех от шума при идентификации параметров модели может повысить точность оценки SOC. В этой статье BCLS выбран для определения параметров модели аккумулятора. В отличие от алгоритма GA и алгоритма PSO с высокими вычислительными затратами, BCLS показывает эффективную производительность онлайн-оценки параметров, которая подходит для бортовой BMS с ограниченной вычислительной мощностью.В результате в этой статье предлагается алгоритм совместной оценки BCLS-ALT SOC, в котором BCLS и алгоритм ALT будут применяться для определения параметров модели батареи и SOC, соответственно. Для проверки его производительности предложенный алгоритм BCLS-ALT сравнивается с рекурсивным методом наименьших квадратов и альтернативным алгоритмом (RLS-ALT) при различных динамических испытаниях и температурах окружающей среды. Результаты экспериментов показывают, что предложенный алгоритм совместной оценки BCLS-ALT SOC может обеспечить отличную производительность в различных условиях эксплуатации.Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 описан алгоритм совместной оценки SOC на основе BCLS-ALT. Экспериментальные проверки показаны в разделе 3. В разделе 4 представлены обсуждения. В разделе 5 делаются выводы.
2. Алгоритм совместной оценки SOC на основе BCLS-ALT
2.1. Модель батареи
По сравнению с существующими моделями батарей и учитывая сложность расчетов, ECM первого порядка признан лучшим вариантом для моделирования литий-ионных батарей [44–46].Он широко используется в смежных исследованиях литий-ионных аккумуляторов [47]. Для обеспечения точности и простоты в этой статье был выбран ECM первого порядка, как показано на рисунке 1.
ECM первого порядка можно представить в виде: где — источник напряжения, — сопротивление поляризации, — поляризационная емкость, омическое сопротивление, напряжение холостого хода, напряжение на клеммах, ток, номинальная емкость и кулоновский КПД.Уравнение (1) можно дискретизировать, а уравнение дискретной системы можно выразить следующим образом:
На основе известных знаний OCV является функцией SOC и температуры, которая может быть выражена следующим уравнением: где — коэффициенты, которые могут быть подобраны на основе экспериментальной базы данных. Кроме того, T — это температура аккумуляторной рабочей среды.
2.2. Алгоритм идентификации параметров на основе BCLS
Метод оценки SOC на основе модели сильно зависит от параметров модели.В этом разделе представлены онлайн-параметры модели батареи с использованием BCLS. Этот метод использует квадратную норму дискретной функции в качестве метрики для получения параметров идентификации. Когда рассматривается системная ошибка, дискретное выражение системы должно быть идентифицировано из уравнения (1). Согласно уравнениям (1) и (2), уравнение Лапласа модели батареи может быть получено как
Уравнение (5) может быть дискретизировано с помощью билинейного преобразования [48]. Подстановка в уравнение (5) может быть описана как где, и — коэффициенты системы.Уравнение (4) можно преобразовать в следующее разностное уравнение: где — вход системы; — выходной сигнал системы и может быть представлен как где — систематическая ошибка. и может быть записано как
Расширение до N -мерного« и может быть записано как
Определение функции [40], может быть описано как
Экстремальное значение может быть получено как
Оценка методом наименьших квадратов результат можно получить как
Однако метод наименьших квадратов эффективен только для белого шума.Если шум не является белым шумом, оценка параметра методом наименьших квадратов не является несмещенной и непротиворечивой оценкой. Для решения вышеуказанных проблем применяется онлайн-оценка дисперсии шума и компенсация смещения в реальном времени. Дисперсия шума [39] может быть описана следующим образом: где — результат наименьших квадратов компенсации смещения во времени, — корреляционная матрица и — функция критерия ошибки. и [42] можно представить в виде где — матрица ковариаций, а — ошибка оценки методом наименьших квадратов.и [41] можно записать как где — матрица усиления. [43] может быть рассчитано как
Оценка методом наименьших квадратов [40] компенсации смещения получается с помощью вычислительной формулы BCLS, мы можем оценить параметры модели батареи в режиме онлайн, а общий процесс идентификации приведен в Таблица 1.
|
2.3. Совместная оценка SOC на основе BCLS-ALT
Для достижения точной оценки SOC и низких вычислительных затрат в этой статье предлагается алгоритм BCLS-ALT для оценки SOC. С параметрами, определенными в режиме онлайн с помощью BCLS, затем применяется алгоритм ALT для оценки SOC.Алгоритм ALT состоит из метода AHI и HIF. Блок-схема алгоритма ALT показана на рисунке 2. HIF используется для получения точных начальных значений метода AHI, а также применяется для исправления ошибок, вызванных методом AHI. Оценка SOC может переключаться между методом AHI и HIF в предложенном алгоритме BCLS-ALT.
2.3.1. Метод AHI и алгоритм
H -Infinity FilterМетод AHI широко используется в большинстве электромобилей [11] и является наиболее эффективным методом.Однако на точность оценки этого метода влияют начальная ошибка и совокупная ошибка, вызванная ошибками измерения тока батареи. Метод AHI [7] сформулирован следующим образом: где представляет собой SOC в начальный момент времени 0, — номинальная емкость, обозначает кулоновский КПД и — рабочий ток батареи. HIF популярен благодаря высокой надежности и точности. Подобно другим методам оценки SOC на основе моделей, вычислительная эффективность HIF намного ниже, чем у метода AHI.Это можно узнать из процесса расчета. Чтобы реализовать HIF для оценки SOC, уравнение системы с дискретным временем может быть получено как где — шум процесса. — шум измерения наблюдения. состояние системы в момент времени. Из уравнения (2),, и могут быть записаны как
Поскольку взаимосвязь между SOC и OCV является нелинейной, это приводит к тому, что уравнение (23) демонстрирует нелинейное поведение. Однако эта проблема может быть решена согласно соответствующей теории Burgos et al.[49], как показано в уравнении (25). Затем функция стоимости может быть построена с использованием теории игр, как в уравнении (26) [50]. Где обозначается для SOC и определяется для оценочного значения; обозначает начальный SOC и представляет собой оценочное значение. « и — весовые матрицы в уравнении (26). Их выбирают исходя из конкретной ситуации [24].
Для простоты,, и были заданы как единичные матрицы, а их размеры были определены с помощью уравнения (26).определялась исходной ошибкой. Функцию стоимости можно рассматривать как соревнование между природой и инженерами. Природа всегда пытается максимизировать ошибку оценки, вводя ошибки (текущая ошибка, шум напряжения и начальная ошибка в знаменателе) [19]. Однако могут применяться соответствующие методы для минимизации ошибки оценки, чтобы значение функции было как можно меньшим для получения точного SOC. Однако напрямую свести к минимуму сложно; таким образом, было определено граничное значение, которое может быть легко удовлетворено.То есть значение для должно быть удовлетворенным условием [19].
Уравнения (26) и (28) могут быть интегрированы и выражены как
Из уравнения (23) можно вывести следующее: где определяется как
Применяя эти результаты, можно записать как уравнение (32). Таким образом, дискретный фильтр H -бесконечности можно рассматривать как минимаксную задачу, как показано в уравнении (33). Чтобы решить эту проблему, Дэн и др. вывел уравнения и проанализировал связанные теории [51]. Их результаты показали, что, когда функция имеет максимум или минимум, и определяются.Удовлетворение уравнения (34) может гарантировать, что существует решение для оценки [19].
2.3.2. ALT Algorithm
Для разработки алгоритма оценки SOC с высокой точностью и низкими вычислительными затратами, который может быть применен в бортовой BMS, предлагается альтернативный алгоритм, сочетающий метод AHI и HIF. Когда BMS запускается, начальное значение SOC будет установлено HIF. Как только SOC сходится к истинному значению, алгоритм ALT переключит вычислительную логику на метод AHI для повышения вычислительной эффективности.Условием переключения алгоритма является то, что амплитуда SOC меньше 1%, что означает, что HIF нашел истинное значение и завершил процесс сходимости. Кумулятивные ошибки оценки SOC с использованием метода AHI будут вызваны ошибками измерения тока батареи. Следовательно, чтобы гарантировать точную оценку SOC, предлагаемый алгоритм переключается обратно на алгоритм HIF для исправления SOC. Это условие переключения алгоритма является приращением SOC, которое записывается в △ SOC.С самого начала метода AHI, если △ SOC больше, чем SOC ALT , алгоритм ALT переключится обратно на HIF. SOC ALT — это порог переключения, установленный бортовой BMS. Конкретные этапы расчета алгоритма ALT показаны в таблице 2.
|
Учитывая принцип HIF, для получения более точного алгоритма следует установить меньшее значение.Однако, если установлено слишком низкое значение, алгоритм HIF не сможет сойтись. Поэтому в данной работе установлено значение 0,01. Как правило, первоначальная ошибка оценки и измеренная статистика шума не могут быть известны и установлены заранее при применении алгоритма. Для упрощения расчета начальное состояние всех матриц задается как единичные матрицы. Размеры матриц, таких как, и, определялись уравнением (15) и определялись начальной ошибкой [19].
3.Экспериментальные проверки
Чтобы проверить эффективность и точность предложенного устройства оценки SOC, испытание с низким током OCV и испытание с динамическими циклами были проведены при 0 ° C, 25 ° C и 40 ° C, соответственно. Схема испытательного стенда показана на Рисунке 3. Он состоит из Bitrode MCV12-100 для тестирования батареи, термокамеры для контроля окружающей среды и главного компьютера для управления работой и отображения / хранения данных. Тестовый образец — литий-ионный аккумулятор A123 с остаточной емкостью 1.1 Ач. Тестер батареи может заряжать / разряжать батарею в соответствии с разработанной программой на главном компьютере. Полученные данные используются для определения параметров модели и проверки предложенной оценки SOC.
В тесте с низким током OCV элемент заряжался и разряжался с постоянной скоростью C / 20. Напряжение отсечки для зарядки составляло 3,6 В, а ток отсечки составлял 0,01 С. Напряжение отсечки для разряда составляло 2 В. Кривая OCV-SOC может быть получена с использованием среднего значения заряда-разряда. равновесный потенциал [52, 53], как показано на рисунке 4.Коэффициенты уравнения (3) представлены в таблице 3 для получения OCV. В тесте динамических циклов используются динамический стресс-тест (DST) и федеральный городской график вождения (FUDS) для моделирования реальных циклов движения электромобилей. Профили нагрузки DST и FUDS используются для проверки производительности идентификации параметров и оценки SOC предлагаемого алгоритма.