CN109995111A - 一种基于预见控制的蓄电池充电方法 - Google Patents

一种基于预见控制的蓄电池充电方法 Download PDF

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张宗光
范朝冬
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Abstract

本发明公开了一种基于预见控制的铅酸蓄电池充电方法，根据最佳充电曲线，并结合蓄电池的充电接受特性，对蓄电池以期充电。该充电方法以三段式充电为基础，其中利用蓄电池的未来状态信息进行前馈控制，采集当前蓄电池的状态信息进行反馈控制，对蓄电池充电过程跟踪与补偿，从而实现对蓄电池三个阶段的充电过程进行预见控制。通过采用预见控制方法使蓄电池的充电按最佳充电曲线进行，可大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响；其次，充电过程能够很好的与蓄电池的充电接受特性相吻合，能够极大的减少极化现象，确保电池得到高效安全的充电。

Description

一种基于预见控制的蓄电池充电方法
技术领域
本发明涉及蓄电池充电技术领域，具体是涉及一种基于预见控制的蓄电池充电方法。
背景技术
全球能源危机的爆发，寄希望于新能源领域的突破，随着新能源技术的发展与大力推广，以传统化石燃料位驱动的机械工具逐渐被以电力能源驱动的机械工具所取代，蓄电池作为日常使用的电力能源储存的一种，以其容量大、寿命长、性价比高、输出稳定等优点被广泛应用于各个领域。
在蓄电池的使用上，需要经常对其进行充电，传统的充电方式使其在充电过程中容易发生极化现象，严重影响充电速度与充电质量,还会造成蓄电池欠充或过充，损伤蓄电池，降低其使用寿命，严重时可能直接导致蓄电池报废。
随着蓄电池的普遍应用，如何对蓄电池高效安全的充电，已成为研究的焦点。虽然不断有新的充电技术提出，但并不能完全解决蓄电池的充电问题，只能不断的探究更加完善的充电方式。因此，研究及选择合理的充电技术，是蓄电池应用领域发展的关键所在。
发明内容
鉴于上述蓄电池在充电过程中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于预见控制的蓄电池充电方法，以提高蓄电池的充电效率，减少充电过程中的极化现象，防止过充、欠充等问题。
本发明提供的蓄电池充电方法是以三段式充电原理为基础，提出的基于预见控制的充电方法，根据蓄电池最佳充电曲线，结合蓄电池的充电接受特性，进行以期充电更符合智能充电的要求。
为了实现以上目的，本发明拟采用以下技术方案：
蓄电池三段式充电的恒流充电阶段、恒压充电阶段、浮充充电阶段，在进行各阶段充电时根据最佳充电曲线，采用预见控制对充电过程进行调整。
设定每阶段的充电状态阈值，作为充电阶段的转换判断条件。恒流充电阶段设定一个电压阈值，恒压充电阶段设定一个电流阈值，浮充阶段通过检测蓄电池的SOC判断是否停止充电。
蓄电池在充电开始之前要完成的准备工作包括：
获取待充蓄电池的类型，根据蓄电池的类型确定每阶段的充电阈值和充电规格；
检测蓄电池的初始状态信息，把检测到的初始电压作为待充蓄电池当前时刻的电压值；
根据检测到的初始电压状态信息，确定待充蓄电池所要在的充电阶段。
恒流充电阶段，以设置的最大电流(5A-30A)对蓄电池进行充电，当检测到蓄电池当前的电压状态信息达到设定的电压阈值时，开始进入下一阶段充电，即恒压充电阶段；
恒压充电阶段，将电池电压维持在一个较高的位置进行充电，使电池更快达到满充状态，当检测到充电电流减小到设定的电流阈值时，进入浮充阶段；
浮充充电阶段，以低于恒压充电的电压即浮充电压进行充电，为电池提供满充和维护操作。此时充电电流会持续减小，而蓄电池的SOC增加，同时根据检测到蓄电池的SOC达到满充状态，停止充电。
其中，预见控制作用于蓄电池各个充电阶段，通过预见控制计算得出最佳充电曲线，使充电按照最佳充电曲线进行，其具体预见控制方法步骤如下：
设蓄电池充电过程在k时刻的离散状态方程为
式中：x(k)为k时刻电池状态向量；u(k)为输入参数信息向量；y(k)为输出控制向量；A,B,C为系数矩阵。
假设系统可控可观，目标值为r(k)，定义误差信号e(k)＝r(k)-y(k)，根据式(1)得到被控系统的广义误差
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GΔu(k)+GRΔR(k+1) (2)
式中
对于式(2)，其二次型性能指标为
式中：MR为期望目标预见步长；Q为半正定权值矩阵；H为正定权值矩阵。J为根据误差系统确定的充电系统的二次型目标评价函数。
使J最小的Δu(k)为最优解。根据最优调节理论的相关结论得出如下最优控制输入
式中：F0为被控系统反馈系数矩阵；FR(j)为被控系统在第j步的前馈目标补偿系数矩阵
将式(4)带入式(3)，令得
F0＝-[H+GTPG]-1GTPΦ (6)
式中P为Riccati方程的正定解
现在假设从当前时刻至未来MR的目标值信号已知，Fe,Fx分别为被控系统的误差矩阵、状态反馈系数矩阵，初始值设定为零，从而得到电池充电被控系统的预见控制规律为
其中，在预见控制作用于电池充电过程所要跟踪参考的电池状态量信息：
恒流充电阶段，在电池电压达到设定阈值前，以电池的电压VB作为状态量，参与控制过程；
恒压充电阶段，蓄电池充电可接受电流会呈指数规律下降，根据最佳的马斯充电曲线，通过预见、跟踪、补偿，使电池充电电流严格按照最大可接受充电电流充电，以电池的电流IB作为状态量
浮充充电阶段，此时蓄电池充电基本进入了饱和，为了避免蓄电池过充，通过检测当前时刻电池SOC状态，并预测下一时刻的电池SOC，以期充电，在蓄电池达到满充状态时及时停止充电。
本发明的技术效果在于：本发明的一种基于预见控制的蓄电池充电方法，利用蓄电池的未来状态信息进行前馈控制，采集当前蓄电池的状态信息进行反馈控制，对蓄电池充电过程跟踪与补偿，从而实现对蓄电池三个阶段的充电过程进行预见控制。对蓄电池的充电按最佳充电曲线进行，可大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响；其次，充电过程能够很好的与蓄电池的充电接受特性相吻合，能够极大的减少极化现象，确保电池得到高效安全的充电。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于预见控制的蓄电池充电方法的原理框图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种基于预见控制的蓄电池充电方法的原理框图，本发明提供的蓄电池充电方法是以三段式充电原理为基础，提出的基于预见控制的充电方法，根据蓄电池最佳充电曲线，结合蓄电池的充电接受特性，进行以期充电更符合智能充电的要求，该充电方法包括以下步骤：
蓄电池在正常充电开始之前，获取待充蓄电池的类型属性信息，据蓄电池的属性，确定每阶段的转换阈值和充电规格。
恒流充电阶段，以最大允许充电电流进行快速充电，电池电压持续升高，当电压超过额定电压(2V-3V),选择超出额定电压2.5V的电压值作为恒流充电阶段的设定电压阈值。
恒压电充电阶段，以恒流充电阶段的电压阈值，即超出额定电压2.5V的过充电压进行中期充电，充电电流随着充电的继续持续降低，当充电电流降低到恒流充电电流的5％以下，以恒流充电电流的5％的电流值作为恒压充电阶段的电流阈值。
浮充充电阶段，补充蓄电池自放电使蓄电池能够充分充电，以低于恒压充电电压(0.5V-1V)的电压及逆行补充充电，选择低于恒压充电电压0.5V的电压，浮充阶段，电池电量基本已经达到90％以上，通过在线检测蓄电池SOC超过98.5％以上，即认为电池已经达到满充要求。
同时，获取蓄电池的初始状态信息，把检测到的初始电压作为待充蓄电池当前时刻的电压值，检测蓄电池SOC判断电池电压的正常状态，根据检测到的两方面初始状态信息，确定待充蓄电池所要在的充电阶段。
其中，预见控制作用于蓄电池各个充电阶段，通过预见控制计算得出最佳充电曲线，使充电按照最佳充电曲线进行，其具体预见控制方法步骤如下：
设蓄电池充电过程在k时刻的离散状态方程为
式中：x(k)为k时刻电池状态向量；u(k)为输入参数信息向量；y(k)为输出控制向量；A,B,C为系数矩阵。
假设系统可控可观，目标值为r(k)，定义误差信号e(k)＝r(k)-y(k)，根据式(1)得到被控系统的广义误差
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GΔu(k)+GRΔR(k+1) (2)
式中
对于式(2)，其二次型性能指标为
式中：MR为期望目标预见步长；Q为半正定权值矩阵；H为正定权值矩阵。J为根据误差系统确定的充电系统的二次型目标评价函数。
使J最小的Δu(k)为最优解。根据最优调节理论的相关结论得出如下最优控制输入
式中：F0为被控系统反馈系数矩阵；FR(j)为被控系统在第j步的前馈目标补偿系数矩阵
将式(4)带入式(3)，令得
F0＝-[H+GTPG]-1GTPΦ (6)
式中P为Riccati方程的正定解
现在假设从当前时刻至未来MR的目标值信号已知，Fe,Fx分别为被控系统的误差矩阵、状态反馈系数矩阵，初始值设定为零，从而得到电池充电被控系统的预见控制规律为
通过上述计算可以确定预见控制的最优控制规律，使控制输出u(k)在MR步之前开始变化，根据预见控制计算得出蓄电池最佳充电曲线，预见控制参与蓄电池充电的过程，增加了电池充电的自适应性。
其中，恒流充电阶段，根据参考的电池电压和预见的未来一段时间的电压信息量，对充电过程进行规划，即按充电曲线对蓄电池快速充电，使蓄电池的电压上升近似接近于按比例增长，大大提高恒流充电阶段的效率。
恒压充电阶段，蓄电池充电可接受电流会呈指数规律下降，通过预见、跟踪、补偿，使电池充电电流严格按照最大可接受充电电流充电。要提高蓄电池的充电速度，必须提高充电电流的数值。蓄电池充电时，并非在任何条件下对任何充电电流都可以接受。在充电过程中的任一时刻t，蓄电池可接受的最大充电电流i的方程式为
i＝I0e-at (9)
式中I0——恒压充电阶段初始电流，即恒流充电电流，A；
a——决定充电接受电流衰减率的一个常数，称为充电接受率。
本阶段根据最佳的充电曲线，即马斯曲线对电池充电过程预见控制，使充电电流以最大充电可接受电流进行衰减下降，与蓄电池的充电接受特性基本吻合，极大的减少极化现象。
浮充充电阶段，此时蓄电池充电基本进入了饱和，为了避免蓄电池过充，通过检测当前时刻电池SOC状态，并预测下一时刻的电池SOC，以期充电，在蓄电池达到满充状态时及时停止充电。

Claims (5)

1.一种基于预见控制的铅酸蓄电池充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
蓄电池的充电采用以三段式充电原理为基础，分别为恒流充电阶段、恒压充电阶段、浮充充电三个阶段，每阶段的充电采用预见控制使蓄电池按最佳充电曲线进行以期充电；
设定每阶段的充电阈值，作为充电阶段的转换判断条件；恒流充电阶段设定一个电压阈值，恒压充电阶段设定一个电流阈值，浮充阶段通过检测蓄电池的SOC判断是否停止充电。
2.根据权利要求1所述的基于预见控制的蓄电池充电方法，其特征在于，当充电器开启充电之前，首要的工作包括：
获取待充蓄电池的类型，根据蓄电池的类型确定每阶段的充电阈值和充电规格；
检测蓄电池的初始状态信息，把检测到的初始电压作为待充蓄电池当前时刻的电压值；
根据检测到的初始电压状态信息，确定待充蓄电池所要在的充电阶段。
3.根据权利要求2所述的基于预见控制的蓄电池充电方法，其特征在于所述的充电阶段；
在恒流充电阶段，以设置的最大电流对蓄电池进行充电，当检测到蓄电池当前的电压状态信息达到设定的电压阈值时，开始进入下一阶段充电，即恒压充电阶段；
进入恒压充电阶段，将电池电压维持在一个较高的位置进行充电，使电池更快达到满充状态，当检测到充电电流减小到设定的电流阈值时，进入浮充阶段；
进入浮充充电阶段，以低于恒压充电的电压即浮充电压进行充电，为电池提供满充和维护操作；此时充电电流会持续减小，而蓄电池的SOC增加，同时根据检测到蓄电池的SOC达到满充状态，停止充电。
4.根据权利要求3所述的基于预见控制的蓄电池充电方法，其特征在于预见控制作用于蓄电池的充电过程，通过预见控制计算得下一时刻充电的最佳充电曲线，使充电进程按照规划的状态进行，其具体预见控制方法步骤如下：
设蓄电池充电过程在时刻的离散状态方程为
式中：x(k)为时刻电池状态向量；u(k)为输入参数信息向量；y(k)为输出控制向量；A,B,C为系数矩阵；
假设系统可控可观，目标值为r(k)，定义误差信号e(k)＝r(k)-y(k)，根据式（1）得到被控系统的广义误差
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GΔu(k)+GRΔR(k+1) （2）
式中
对于式（2），其二次型性能指标为
式中：MR为期望目标预见步长；Q为半正定权值矩阵；H为正定权值矩阵; J为根据误差系统确定的充电系统的二次型目标评价函数；
使J最小的Δu(k)为最优解；根据最优调节理论的相关结论得出如下最优控制输入
式中：F0为充电被控系统反馈系数矩阵；FR(j)为被控系统在第j步的前馈目标补偿系数矩阵
将式（4）带入式（3），令，得
F0＝-[H+GTPG]-1GTPΦ（6）
式中P为Riccati方程的正定解
现在假设从当前时刻至未来MR的目标值信号已知，Fe , Fx分别为被控系统的误差矩阵、状态反馈系数矩阵，初始值设定为零，从而得到电池充电被控系统的预见控制规律为
。
5.根据权利要求4所述的基于预见控制的蓄电池充电方法，其特征在预见控制作用于电池充电过程所要跟踪参考的电池状态量：
恒流充电阶段，在电池电压达到设定阈值前，以电池的电压VB作为状态量，参与控制过程；
恒压充电阶段，蓄电池充电可接受电流会呈指数规律下降，根据最佳的马斯充电曲线，通过预见、跟踪、补偿，使电池充电电流严格按照最大可接受充电电流充电,以电池的电流IB作为状态量；
浮充充电阶段，此时蓄电池充电基本进入了饱和，为了避免蓄电池过充，通过检测当前时刻电池SOC状态，并预测下一时刻的电池SOC，以期充电，在蓄电池达到满充状态时及时停止充电。
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