1、基于地铁车辆蓄电池剩余容量预测方法的对比研究 陈戈 郭昊辰 陕西交通职业技术学院 摘 要： 本文结合地铁车辆对车载蓄电池的实际应用需求, 针对镍镉蓄电池的充放电工作特点, 分析影响电池荷电状态 SOC 的诸多因素, 对比分析了了不同的估算方法的应用场合, 并且着重研究了各种估算电池剩余容量方法的理论依据和估算原理, 并对使用过程中遇到的问题进行分析说明, 详细阐述了镍镉蓄电池在不同工况应该选择那种预测方法, 致力于提高剩余容量估算的真实性及准确性, 以帮助车辆运用人员及时采取决策来实现列车的可靠运行。关键词： 镍镉蓄电池; 荷电状态 SOC; 电池剩余容量; 1 前言在地铁车辆特殊的运营模式下
2、, 地铁车载蓄电池主要完成以下功能:在车辆启动前激活各控制系统, 同时为辅助逆变器提供控制电源;在接触网无网压或辅助逆变器 SIV 全故障不工作情况下, 蓄电池可作为紧急负载供电电源, 维持规定的紧急供电时间, 满足乘客安全逃生与供电需求。但由于在使用过程中和车载的整流变压设施并联在一起。在浮充过程中, 负载的电流都是整流设施提供的, 并且对蓄电池实行补充充电, 但蓄电池仅仅只有滤波的效果, 在遇到整流设备的前级设备故障时, 方可让蓄电池供电给负载。此种不间断的浮充制操作方法尽管能让电压设施切换的转换效率相对较高, 然而会因为不间断的使用, 导致长时间在浮充状态下的蓄电池遇到纤维极板腐蚀、硫化
3、, 还有内嵌的活性物质脱落一系列状况, 严重的将直接降低车辆激活瞬间的电能需求和维持规定的紧急供电时间, 有很大的安全隐患, 但是像地铁这样高密度、大运量的交通行业, 丝毫安全隐患都是绝对杜绝出现的。作为车辆系统最为关键的电气子系统之一, 如果在应用中能够正确的计算、预测出蓄电池的剩余电量, 为后续建立蓄电池组智能系统管理提供重要参数, 从而减少对蓄电池造成的损害, 提高其可靠性, 延长使用寿命, 是至关重要的。2 荷电状态预测方法蓄电池是个复杂的电化学系统, 在不同的工况下, 实际可供使用的电量也不相同。随着蓄电池使用时间的增加, 其可使用的电量也在逐步下降。依据蓄电池的端电压来判估测电池的
4、剩余容量, 这种方法是有很大的局限性。而采用荷电状态 SOC 来表示蓄电池的剩余容量, 代表的是蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值, 能直接反映蓄电池的可持续供电能力和健康状况的一个重要参数。SOC 不能直接从蓄电池本身获得, 只能通过测量蓄电池组的外特性参数电流、电压、温度、内阻等间接获得, 故其预测估算的方法也有很多种。2.1 内阻预测法内阻法是通过测量蓄电池的阻抗来估算电池的剩余容量, 根据蓄电池内阻与容量的相关性非常好, 随着蓄电池充电过程的进行, 内阻逐步减小, 随着放电过程的进行, 内阻逐步增大等特性, 可通过在线测量蓄电池内阻的方式较为准确的
5、来预测剩余容量。在适当的环境温度下, 将充满电量的蓄电池, 然后以恒定的放电率使蓄电池放电, 记录下放电过程中内阻与剩余容量的变化情况, 从而修正出内阻与剩余容量曲线关系, 将其存入在线电阻测量系统中, 可根据测量值, 通过查表计算, 得出剩余电量。给蓄电池充满电, 然后以常用的放电率对电池放电, 记录放电过程中内阻与电量的大小.当蓄电池放电完毕, 就可获得完整的放电曲线, 将此曲线存入处理器的外部 EPROM 中, 在以后测试同型号同规格的蓄电池时, 单片机将根据在线测得的蓄电池内阻值, 通过查表计算, 得出其剩余电量值。在线测量过程, 首先在蓄电池两端施加一恒定交流电流源 I, 通过滤波整
6、流电路及模数转换电路检测出端电压 V, 同时可由鉴相器测出 I 和 V 两者之间的相位 。蓄电池的交流阻抗为: , 蓄电池内阻值:R=Zcos, 根据 R 值可通过程序查表得出 SOC 的值。但是蓄电池的剩余电量与内阻之间的关系极其复杂, 尤其是在使用老化中, 由于电解液的干涸及活性物质的腐蚀等多种因素, 都会使蓄电池容量发生变化, 同时内阻也会出现非线性增加, 大大的影响到了剩余容量估算的精确性, 只建议这种方法在蓄电池投入的前期使用。2.2 开路电压法开路电压法是根据蓄电池的剩余容量与在开路状态下的端电压有一定的线性关系, 通过测量开路电压就能直接反映出剩余容量的大小, 不受蓄电池放电速度
7、的影响, 只以开路电压为测试参数。开路电压是指电池无电流通过时正负极之间的电位差, 在实际的电池体系中, 电池两极建立的电位多为稳定电位, 开路电压是一个实测值, 通常总是小于电池的电动势的值, 开路电压仅是电池体系的一个特征参数, 不同的电池体系其开路电压也是不同的如图表 1。电池在长时间静置的条件下, 特别是在充放电的初期和末期, 电池的电压变换比较大, 根据开路电压可以很好的估计出 SOC。表 1 各类电池实测开路电压值 下载原表 电压采集处理器先与蓄电池充放电机通讯, 确认此刻蓄电池的状态, 后通过控制切换开关, 依次测量出蓄电池不同工况下的电压。先有处理器控制充电机持续给蓄电池充电,
8、 待充电电量充分时, 断开充电电路, 静置一段时间后, 测量出充满电时的开路电压 Va 后, 使蓄电池以固定的电流进行放电, 然后每隔一段时间实测出开路电压 VB (t) , 待电池充分放电后, 最后一次测量出的开路电压 Vb。从而得出剩余容量:但是日常应用中蓄电池的工作状态恢复到稳定状态需要静置很长的时间, 不能实现在线测量, 不同放电电流, 极化速度不同, 电动势也有差异, 对于电解液蓄电池充放电释放的气体会使电解液密度变化, 测量的开路电压会有误差。故只适合于处于维护保养状态下的蓄电池剩余电量的预算, 且只有在充电初期和末期 SOC 估算比较精确。2.3 电荷积分法电荷积分法是通过对流入
9、/流出电池的总电流进行积分, 从而得到的净电荷数即为剩余容量, 在实际使用中不用考虑电池内部的结构和环境等电气特性的影响, 可应用到各类蓄电池上。预测过程是处理器控制切换开关导通, 检流电阻 RS 对负载电阻 RL 放电, 产生的电流 I 在 RS 两端产生的压降为 VS (t) =I (t) RS, 系统持续检测 RS 两端的压差 VS, 并将其通过模数转换 ADC 转换为 N 位的数字量 CR, 之后以定时采样的方式来控制模数转换器, 即按规定的时基速率进行累加, M 位累加结果为ACR。对量化后的 VS 进行累加相当于对其进行积分, 结果为:。则将 ACR 值除以检流电阻 RSNS 的阻
10、值即得到以 Ah (安时) 为单位的电池容量, 在这里以 12 位的模数转换, 每 1s 进行一次转换, 持续采集 1h 为例计算蓄电池电容量 Q:则得:其中, RS 为检流电阻, RL 为负载电阻, VE 为模数转换的基准电压, QE 为蓄电池的额定容量。蓄电池容量可以预置, 这种预测方法也可在后续的完整充电周期中进行学习, 进行补偿电池自放电、不同温度下的容量变化等因素后, 再结合一些高级算法可以获得令人满意的精度, 特别适合在蓄电池投入的中后期使用。3 SOC 测量方案对比蓄电池剩余容量预测的方法很多, 而且各种方法都有自己的优缺点, 在选择测量方案时对我们带来的困扰还是蛮大的, 现针对
11、上述总结出来了的三种既方便又有效的测量方案进行对比说明, 以便我们在选择测量方案时, 可以把表 2 中总结积累的经验作为依据。表 2 SOC 测量方案对比说明 下载原表 4 结语本文基于不同的蓄电池容量测量平台, 通过分析对比了预测蓄电池容量 SOC 的几种常用方法, 结合地铁车辆的实际应该情况, 并考虑到了不同预测方法的应用优缺点。在对比研究发现, 蓄电池剩余容量的变化不是一成不变的, 在每个不同使用阶段上, 采用的预测方法得出的测量精度也是有所变化, 即在某个阶段上采用某一种预测方法得出的精度会比较准确, 这需要我们在日常应用中能够积累大量的经验, 查找出其中的规律, 在蓄电池不同的使用阶
12、段中选择出合适的预测方法, 才能够向维护人员提供准备蓄电池容量的预测信息, 便于及时进行维护, 提高列车运行的可靠性。参考文献1欧阳明三, 余世杰.VRLA 蓄电池容量预测技术的现状及发展J.蓄电池, 2004 (2) . 2高明裕, 张红岩.蓄电池剩余容量在线测量J.电测与仪表, 2000, 37 (9) :2529. 3姜建国, 曹建中, 高玉明.信号与系统分析基础M.北京:清华大学出版社;1994:100201. 4刘芳芳, 袁立辉.电动汽车电池电量估测模型的研究J.电源技术, 2009 (7) :601603. 5宋怀河, 杨树斌, 陈晓红.影响锂离子电池高效率充放电性能的因素J.电源
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