蓄电池的建模与能量管理研究

图2 2 V/ 200 Ah 胶体蓄电池 0 . 1 C10 ( A ) 放电曲线
选定 0 ～ 340 min 为实验区域 . 温度系数 Ct 可以通过大量的试验数据统计 、 对比 、 计算得出 , 但铅酸蓄电池的特性已被深入研究 , 这里采用经 验值 0 . 011 ; 蓄电池在每次的充放电过程中 , 效率 都会不断波动 , 为了计算方便 , 可取其平均值 , 在 这里取η= 98 . 5 %. 由于当蓄电池以一定电流开 始放电时 , 会有很短一段时间电压快速下降 , 因此 在曲线中会存在一个拐点 , 如图 2 时间 X 点所对
Abstract : By co mbinatio n of experimental modeling wit h equivalent circuit modeling , a t raditio nal bat 2 tery model is imp roved , by which t he real2time calculatio n of battery state of charge ( SOC) is do ne mo re co nveniently. A packet2based bat teries energy management st rategy which is based o n SOC is al2 so p resented. The result s have shown t hat bat tery SOC is calculated much more accurate and t he new st rategy performs bet ter t han t he t raditio nal met hod. To so me extent , t he bat tery life has been ex2 tended. Key words : bat tery ; mo dels ; energy management ; energy policy ; charge state ; packed2based system ; p hotovotatic array
162 . 7 138 32 . 3 30 . 1 49 . 3 36 12 . 6
3 试验结果
影响蓄电池使用寿命的主要因素[ 7 ] 有 : 一定 时间内的循环次数 、 放电深度 、 过充电等 . 蓄电池 的总循环次数是一定的 , 因此一定时间内的循环 使用次数越少 , 蓄电池的寿命就越长 ; 放电深度越 大 , PbO2 粒子的收缩和膨胀的程度越大 , 越易脱 落 ,因此若蓄电池的放电深度较小 ,则使用寿命就 较长 ; 过充电的次数越多 、 程度越深 , 活性物质就 越易脱落 ,蓄电池的寿命也就越短 . 以 1 kW 的光伏阵列为能量来源 ,以主 、 副蓄 电池组分别为 6 个 2 V/ 200 Ah 胶体蓄电池单体 串联的分组系统来进行试验 , 主蓄电池组在充电 过程中 ,计算的电池荷电状态参数与静态下电池 检测系统测量的荷电状态参数 M 对比如图 3 所 示.
模型如下 ρ V = V0 - K SOC
t
ρ SOC - Qn
t b
τ )d τ+ i( ∫
0
t
A exp - B
)d τ+ C ( T i (τ ∫
0
) ; - 25 ℃
( 2) ( 3) ( 4)
V b = V - Ri ( t) ; ) [1 R = V n ( 1 - η ) ]/ ( 0 . 2 Qn ) , 0 . 025 ( T b - 25 ℃
∫
0
t
)d τ Qn i (τ
×100 %. ( 1)
图 1 中 :V b 为蓄电池的端电压 ; i ( t) 为流过蓄电池 的电流 ; E 为受控源电压 ; Байду номын сангаас 为电池内阻 .
图1 改进的蓄电池等效电路模型
2 蓄电池能量管理策略设计
将蓄电池进行分组管理 . 根据负载确定蓄电 池的容量及数量 , 分成电池数目相等的主蓄电池 组和副蓄电池组 . 而主蓄电池组和副蓄电池组又 由若干小组串联组成 . 以电池模型计算的参数 ρ SOC 作为系统充放电控制的依据 . 由于铅酸蓄电 池的ρ SOC 处于 0 . 2～0 . 8 之间时 , 受极化效应影响 较小 , 因此当蓄电池 ρ SOC < 0 . 2 时 , 停止放电 , 进 行充电 ; 当ρ SOC > 0 . 8 时 , 进行小电流浮充 . 系统 在进行初始化后 , 便采集蓄电池组的端电压 、 电流 和温度 , 按照上述中 ρ SOC 的计算方法对电池的荷 电状态进行在线计算 , 然后根据其值对蓄电池进 行充放电的控制 , 如此循环 , 直至程序异常 , 重新 初始化 . 设 V h 为最高监控电压 , V m 为主蓄电池组的 端电压 , V v 为副蓄电池组的端电压 ,ρ SOC m 为主电 ρ 池组的剩余电量 , SOC v 为副蓄电池组的剩余电 量 , 蓄电池的能量管理策略如下 : 步骤 1 若ρ SOC m > 0 . 2 , 则主蓄电池组放电 给负载 ; 若同时 ρ SOC v < 0 . 8 , 则副蓄电池组充电 ,
第38卷 第4期 2010年 4月
华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自然科学版) J . Huazho ng U niv. of Sci. & Tech. ( Nat ural Science Editio n)
Vol. 38 No . 4 Ap r. 2010
蓄电池的建模与能量管理研究
Battery model ing and energy management
W u T iez hou Z han g Yon g f ei W u L i nz han g Ye S huan g
( Hubei University of Technology , School of Elect rical and Elect ronic Engineering , Wuhan 430068 , China)
式中 :V 0 为蓄电池初始电压 ; K 为极化电压常数 ; V n 和 Qn 为蓄电池标称电压和容量 ; A 为试验系 数 ; B 为试验指数 ;η为效率 .
E0 , K , A , B 和 Ct 可由蓄电池厂家提供或实
验测得的放电曲线估算得出 . 图 2 为 2 V/ 200 A ・h 胶体蓄电池单体在 25 ℃, 0 . 1 C10 ( A ) 下的放电曲线 .
第4期
吴铁洲等 : 蓄电池的建模与能量管理研究
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该控制策略有如下特点 :a . 主蓄电池组放电 优先 , 副蓄电池组充电优先 , 二者相互配合 、 互为 补充 ; b. 当电池的荷电状态参数达到上限值时 , 进行浮充来减小电池的自放电 ; c . 进行均衡充电 以减小电池个体差别 , 提高了电池组的整体性能 .
否则检测 V v , 若 V v < V h , 利用小电流对副蓄电池 组充电 . 步骤 2 若 ρ SOC m ≤0 . 2 , 则 计 算 ρ SOC v ; 若 ρ SOC v > 0 . 2 , 则副蓄电池组放电 , 同时主蓄电池组 充电直至ρ SOC m = 0 . 8 , 然后检测 V m , 若 V m < V h , 利用小电流对主蓄电池组充电 ; 若ρ 0. 2 , 则 SOC v ≤ 断开负载 . 步骤 3 检测主蓄电池组和副蓄电池组中每 一组电池的电压 , 若各小组的最大电压差达到均 衡电压值 ( 可设置) , 则进行均衡充电 .
吴铁洲 张永飞 吴麟章 叶 爽
( 湖北工业大学 电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430068)
摘要 : 在分析常用电池模型的基础上 ,利用实验建模和电路等效建模相结合的方法改进了传统的蓄电池模 型 ,改进的电池模型对蓄电池荷电状态 ( SOC) 的实时计算更加方便 ; 依据电池的荷电状态参数提出了一种基 于分组的蓄电池组能量管理方法 . 试验结果表明改进的电池模型使得电池荷电状态的计算有较好的精确性 ; 分组系统在能量管理策略上优于未分组系统 ,能在一定程度上延长蓄电池的使用寿命 . 关 键 词 : 蓄电池 ; 模型 ; 能量管理 ; 能量策略 ; 荷电状态 ; 分组系统 ; 光伏阵列 中图分类号 : TP17 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 ( 2010) 0420031203
随着新能源的开发和利用 , 蓄电池应用的深 度和广度在不断增大 , 人们对蓄电池建模及充放 电控制的研究也日益深入 . 建立的主要电池等效 模型有 : 初等模型 、 基于 初等 模型 的改 进模型 、 Thevenin 电池模型 、 动态模型等[ 1 ] ; 提出的充电 控制方法有 : 电压法 、 电流法 、 阶段法 、 脉冲法等 . 这些电池模型和能量管理方法各有优缺点 , 通常 要根据实际情况进行改进和组合 [ 2 ,3 ] .
1 蓄电池建模及系数估算
SOC 是能实际反映电池荷电状态的重要参 数 [ 4 ] ,它将作为本文能量管理策略的参数依据 . 本 文首先对初等模型进行改进 ; 进而计算电池的荷
收稿日期 : 2009209228.
电状态 [ 5 ] ; 然后根据荷电状态参数提出了一种分 组自治的能量管理策略 ; 最后进行了试验验证 . 为了比较准确地计算蓄电池的荷电状态参 数 ,需要对电池进行建模 . 建模的方法大致有 3 种 [ 6 ] : 根据电池内部的化学机理建模 、 实验建模和 电路等效建模 . 这里将实验建模和电路等效建模 结合 ,先根据电池参量之间的关系建立等效电路 模型 ,然后由实验来估算模型中的相关系数 . 在此 ,在不考虑电池自放电影响的条件下对 初等模型进行改进 , 改进的模型由变化的内阻与 受控电压源串联组成 . 本模型还考虑了温度对极 化反应和蓄电池内阻的影响 ,并以 25 ℃ 时的特性 作为参考标准分别对极化效应和电阻进行温度补 ) , [1 偿 , 补 偿 因 子 分 别 为 : Ct ( T b - 25 ℃