CN105807168B - 一种用于修正超级电容器soc估算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于修正超级电容器SOC估算的方法，属于储能技术领域。本发明是在安时积分法和开路电压法相结合的基础上，引入超级电容器的电流等效系数k_i、电容器健康状态修正系数k_l和温度补偿系数k_T，并对SOC初始值SOC(t₀)进行修正，从而提高超级电容器SOC估算的精度。本发明公开的方法首先针对超级电容器因电流、循环老化和工作温度等因素对SOC估算所带来的影响进行修正，通过引入上述补偿系数，可有效的消除误差；然后再通过修正初始值SOC(t₀)，消除初始值带来的影响，可进一步提高SOC估算的精度。

Description

一种用于修正超级电容器SOC估算的方法

技术领域

本发明提出了一种用于修正超级电容器SOC估算的方法，属于储能技术领域。

背景技术

超级电容器因为功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、等优点而得到广泛利用。超级电容器剩余电量又称为超级电容器的荷电状态(State OfCharge；SOC)，是超级电容器的重要状态参数之一。精确估算超级电容器的剩余电量，使其在合理的范围内安全工作，是提高储能系统的能量利用率和工作效率的保障。如何准确又可靠地获得超级电容器SOC值是超级电容器组管理系统的重要任务。目前国内常用的方法是开路电压法和安时积分法，此外还有卡尔曼滤波法和神经网络法。

卡尔曼滤波法和神经网络法由于其运算量大，硬件受限，未得到大量的实际应用。开路电压法是目前最简单的方法，根据开路电压与SOC的对应关系，可由测量得到的开路电压求得SOC。对超级电容器而言，其开路电压值会随其静置时间而变化，当超级电容器处于充放电状态时，无法测量电池的开路电压，所以开路电压法只能估算电容器静止状态的SOC，不能用于估算充放电状态下的SOC。安时积分法是用电流对时间积分来计算输入和输出的能量，通过与额定容量的比值确定SOC的值。该方法的缺点是，不同初始SOC值下的估算值相差较大，并且当超级电容器使用较长时间后会出现老化，安时积分法的计算精度也会下降。

发明内容

本发明的内容是在安时积分法和开路电压法相结合的基础上，通过引入超级电容器的电流等效系数k_i，电容器健康状态修正系数k_l，温度补偿系数k_T以及对初始SOC值SOC(t₀)进行修正，从而提高超级电容器SOC估算精度。

本发明的技术方案：

一种用于修正超级电容器SOC估算的方法，步骤如下：

1)安时积分法和开路电压法相结合的方法表达式为：

首先，将电流等效系数k_i引入公式(1)，得到的表达式为：

其次，在公式(2)的基础上引入超级电容器健康状态修正系数k_l，得到的表达式为：

然后，将k_T作为温度补偿系数引入公式(3)中，结合电流等效系数k_i以及健康状态修正系数k_l，最终得到修正后安时积分法和开路电压法相结合的方法表达式为：

2)引入SOC(t₀)修正方法

图1所示为超级电容器在不同的SOC(t₀)下所得到的SOC值。可以看出，不同SOC(t₀)下超级电容器的SOC估算值相差较远，且不同SOC(t₀)下的SOC曲线簇平行，这说明SOC(t₀)对于超级电容器SOC估算精度的影响十分显著。因此，有必要引入修正算法计算准确的SOC(t₀)值。

步骤1：确定判定时长x与上次停机时刻SOC的关系曲线，读取超级电容器上次停机时刻的SOC值，得到此时的判定时长x。

步骤2：读取超级电容器的静置时间，比较静置时间与判定时长x；若静置时间大于判定时长x，说明此时的开路电压OCV达到稳定，根据开路电压OCV和上次停机时刻SOC的关系曲线，通过稳定的开路电压OCV的数值来修正初始SOC值，得到SOC(t₀)；若静置时间小于判定时长x，说明此时的开路电压OCV不稳定，不能用于修正初始SOC值，则继续使用上次停机时刻的SOC值作为初始SOC值，并初始化SOC(t₀)。

步骤3：系统采集超级电容器放电电流，并通过AD转换，得到放电电流i，得到安时积分器的值带入公式(4)，得到超级电容器SOC估算值SOC(t)。

步骤4：判断此时的SOC(t)是否大于20％，若SOC(t)大于20％，则重复步骤3；若不大于20％，则说明电量不足，应该停机充电。

本发明的有益效果是：

(1)分别针对因超级电容器电流积分、电容器老化、电容器温度对SOC估算所带来的影响进行修正，有效消除误差的影响。

(2)通过修正初始值SOC(t₀)，消除初始值带来的影响。

(3)提高SOC估算的精度。

附图说明

图1是本发明不同SOC(t₀)的SOC曲线图。

图2是超级电容器SOC估算方法的流程图。

图3是判定时长x与上次停机时刻SOC的关系曲线图。

图4是开路电压OCV与上次停机时刻SOC的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明具体实施方案作详细说明。

首先，为了补偿超级电容器容量特性对SOC估算的影响，引入电流等效系数。针对超级电容器恒流放电电流与持续放电时间的关系

Iⁿt＝Const (5)

其中I为恒流放电电流值；t为充满电的超级电容器持续放电到截止电压的时间；n为与超级电容器类型有关的常数，Const则代表与超级电容器活性物质相关的常数。由于Q_i＝It可以表示超级电容器在恒流I放电条件下的可用容量，将其代入公式(5)并变换可以得到：

Q_i＝Const·I^1-n (6)

为了得到放电电流对应的等效系数，需要确定具体的n值，在此分别采用标准放电倍率I₀以及任意放电倍率I_r进行持续放电测试，持续放电时间分别为t₀和t_r，可以得到：

解方程组可得：

再结合公式(6)即可求得所需的电流等效系数k_i：

其中，Q₀和Q_r分别为超级电容器在恒流I₀和I_r放电条件下的可用容量。

在SOC估算过程中，电流等效系数主要由放电测试获得。

然后，需要考虑老化对SOC估算的影响。超级电容器健康状态(SOH)在数值上就等于当前老化的超级电容器的实际可用容量与新电容器额定容量的比值，因此可以将SOH直接用作电池健康状态的修正系数，在算法中用k_l表示。

除了以上两种因素以外，环境温度，尤其是超级电容器本身的温度变化也会对SOC估算产生影响。采用公式(10)来描述温度与容量的关系。

Q_T＝Q₂₀[1+m_T(T-20)] (10)

式中Q_T为T摄氏度时蓄电池的容量；Q₂₀为20摄氏度时蓄电池的容量；m_T为温度系数，一般取0.006-0.008。

若另k_T＝[1+m_T(T-20)]^-1，则有Q_R＝Q₂₀/k_T，若以20摄氏度为标准，则此处的Q₂₀即为公式(1)中的额定容量Q₀，可将k_T作为温度补偿系数引入到安时算法中。

最后，如图2所示为带精度修正的超级电容器SOC估算算法流程图。该算法在停机时刻也保持对管理系统的时钟供电，便于读取静置时间。

步骤1：确定判定时长x与上次停机时刻SOC的关系曲线，读取超级电容器上次停机时刻的SOC值，得到此时的判定时长x。

步骤2：读取超级电容器的静置时间，比较静置时间与判定时长x；若静置时间大于判定时长x，说明此时的开路电压OCV达到稳定，根据开路电压OCV和上次停机时刻SOC的关系曲线，通过稳定的开路电压OCV的数值来修正初始SOC值，得到SOC(t₀)；若静置时间小于判定时长x，说明此时的开路电压OCV不稳定，不能用于修正初始SOC值，则继续使用上次停机时刻的SOC值作为初始SOC值，并初始化SOC(t₀)。

步骤3：系统采集超级电容器放电电流，并通过AD转换，得到放电电流i，得到安时积分器的值带入公式(4)，得到超级电容器SOC估算值SOC(t)。

步骤4：判断此时的SOC(t)是否大于20％，若SOC(t)大于20％，则重复步骤3；若不大于20％，则说明电量不足，应该停机充电。

Claims (3)

1.一种用于修正超级电容器SOC估算的方法，其特征在于，步骤如下：

1)安时积分法和开路电压法相结合的SOC估算表达式为：

首先，将电流等效系数k_i引入公式(1)，得到的表达式为：

其次，在公式(2)的基础上引入超级电容器健康状态修正系数k_l，得到的表达式为：

然后，将k_T作为温度补偿系数引入公式(3)中，结合电流等效系数k_i以及健康状态修正系数k_l，最终得到修正后安时积分法和开路电压法相结合的方法表达式为：

2)引入SOC(t₀)修正方法

步骤1：确定判定时长x与上次停机时刻SOC的关系曲线，读取超级电容器上次停机时刻的SOC值，得到此时的判定时长x；

步骤2：读取超级电容器的静置时间，比较静置时间与判定时长x；若静置时间大于判定时长x，此时的开路电压OCV达到稳定，根据开路电压OCV和上次停机时刻SOC的关系曲线，通过稳定的开路电压OCV的数值修正初始SOC值，得到SOC(t₀)；若静置时间小于判定时长x，此时的开路电压OCV不稳定，不能用于修正初始SOC值，则继续使用上次停机时刻的SOC值作为初始SOC值，并初始化SOC(t₀)；

步骤3：系统采集超级电容器放电电流，并通过AD转换，得到放电电流i，得到安时积分器的值带入公式(4)，得到超级电容器SOC估算值SOC(t)；

步骤4：判断此时的SOC(t)是否大于20％，若SOC(t)大于20％，则重复步骤3；若不大于20％，则说明电量不足，应该停机充电；

引入的电流等效系数k_i满足的条件：

超级电容器恒流放电电流与持续放电时间的关系

Iⁿt＝Const (5)

其中I为恒流放电电流值；t为充满电的超级电容器持续放电到截止电压的时间；n为与超级电容器类型有关的常数，Const代表与超级电容器活性物质相关的常数；Q_i＝It表示超级电容器在恒流I放电条件下的可用容量，将其代入公式(5)，变换得到：

Q_i＝Const·I^1-n (6)

分别采用标准放电倍率I₀和任意放电倍率I_r进行持续放电测试，持续放电时间分别为t₀和t_r，得到：

解方程组得：

再结合公式(6)即得所需的电流等效系数k_i：

其中，Q₀和Q_r分别为超级电容器在恒流I₀和I_r放电条件下的可用容量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超级电容器健康状态修正系数k_l满足的条件：超级电容器健康状态在数值上等于当前老化的超级电容器的实际可用容量与新电容器额定容量的比值，将超级电容器健康状态的数值作为超级电容器健康状态修正系数，用k_l表示。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，温度补偿系数k_T满足的条件：温度与蓄电池的容量的关系如公式(10)

Q_T＝Q₂₀[1+m_T(T-20)] (10)

式中Q_T为T摄氏度时蓄电池的容量；Q₂₀为20摄氏度时蓄电池的容量；m_T为温度系数取0.006-0.008；

若令k_T＝[1+m_T(T-20)]^-1，则有Q_R＝Q₂₀/k_T，若以20摄氏度为标准，则此处的Q₂₀即为公式(1)中的额定容量Q₀，k_T作为温度补偿系数。