CN104635165B - 一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，包括：系统初始化后，控制器检测光伏电压是否正常；根据光伏电压的正常与否，去控制光电互补供电系统的工作状态；在蓄电池对负载供电或蓄电池充电的过程中，进行安时积分、测量环境温度，并结合温度补偿系数、用于表示蓄电池健康状况的综合因子对蓄电池的实际电量进行修正，并对剩余电量进行估算。本发明通过对蓄电池的充放电电流、端电压、内阻、温度进行实时在线检测，对光电互补供电系统的工作状态进行控制，实时准确地在线估算出蓄电池剩余电量。

Description

一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法

技术领域

本发明涉及蓄电池充放电控制与管理技术领域，尤其是一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法。

背景技术

蓄电池作为一种储能设备，具有电压稳定、供电可靠等特点，已被广泛应用于光伏系统、不间断电源和电动汽车等领域。在光伏与市电互补的供电系统中，蓄电池为系统实现电能储存、能量合理调配等发挥着不可或缺的作用。

蓄电池一般串联成蓄电池组以满足高电压大容量的使用要求。由于单体电池性能的差异，以及受环境温度变化、过充放电等因素的影响等，电池组性能取决于性能最差的单体电池，如果没有采取合理有效的监测管理措施，会加速电池组性能的衰退，导致电池组提前报废。电池监测管理系统包括充放电控制、参数测量、剩余电量估计、寿命估计、故障诊断等。其中，剩余电量估计是电池管理系统的关键技术，是蓄电池电量的准确反映，也是电池充放电控制和均衡控制的主要依据。

虽然，近年来人们对电池容量估算方法进行了大量研究，并取得了不少成果，然而在应用方面并没有获得很好的效果。在工程应用中广泛使用安时积分和开路电压组合方法估算容量，该方法虽然能够减少误差，却并没有解决误差的根源；而神经网络、卡尔曼滤波、模糊控制等运算结果受电池模型和训练数据影响较大，而且算法复杂。由于电池充放电电流、端电压、温度、自放电、老化程度等因素都影响电池容量，所以，应充分考虑这些因素的影响，并结合工程应用特点寻求发现具有真正应用价值的在线剩余电量准确估计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过对蓄电池的充放电电流、端电压、内阻、温度进行实时在线检测，对光电互补供电系统的工作状态进行控制，实时准确地在线估算出蓄电池剩余电量的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)系统初始化后，控制器检测光伏电压是否正常，即光伏系统是否能正常发电；

(2)若步骤一的判断结果为是，则控制市电供电继电器K₁、蓄电池供电继电器K₂断开，由光伏对负载供电，打开MOS管Q₁，控制MOS管Q₁进行最大功率跟踪控制；接着，判断是否同时满足光伏功率够用且蓄电池的电量已经小于等于下限，即Q≤Q_min，若满足，则打开MOS管Q₂，控制MOS管Q₂给蓄电池充电，并设置正在充电标志；否则，关断MOS管Q₂，清除正在充电标志，检测并计算蓄电池电压回升速率，修正V_m、V_n，检测并计算蓄电池内阻，修正R_m、R_n；

(3)若步骤一的判断结果为否，蓄电池的电量大于下限，即Q＞Q_min，且蓄电池并非处于充电状态，则闭合蓄电池供电继电器K₂，关断MOS管Q₁、Q₂，由蓄电池对负载供电；若蓄电池正在充电，或蓄电池对负载供电至Q≤Q_min，则闭合市电供电继电器K₁，由市电对负载供电，并对蓄电池充电，同时设置正在充电标志；

(4)在蓄电池对负载供电或蓄电池充电的过程中，进行安时积分、测量环境温度，并结合温度补偿系数η_tem、用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea对蓄电池的实际电量进行修正，并对剩余电量进行估算；

所述市电供电继电器K₁的一端接市电输入端，另一端与整流桥B₁的输入端相连，整流桥B₁的输出端分别与滤波电容C₁、滤波电容C₂、二极管D₂的阳极相连，二极管D₂的阴极分别与二极管D₁的阴极、滤波电容C₃、滤波电容C₄、取样电阻R₂、MOS管Q₁的漏极相连，取样电阻R₂和取样电阻R₃串联，MOS管Q₁的源极分别与续流二极管D₃的阴极、滤波电感L₁的一端相连，滤波电感L₁的另一端接MOS管Q₂的漏极，MOS管Q₂的源极分别与蓄电池电压的取样电阻R₆、蓄电池供电继电器K₂的一端、蓄电池的正极相连，蓄电池电压的取样电阻R₆与蓄电池电压的取样电阻R₇串联，蓄电池供电继电器K₂的另一端接J₃负载接入端；光伏输入端J₁的第一输出端与二极管D₁的阳极相连，光伏输入端J₁的第二输出端与取样电阻R₀的一端相连，取样电阻R₀的另一端与滤波电容C₁、滤波电容C₂、滤波电容C₃、滤波电容C₄、取样电阻R₃、续流二极管D₃、取样电阻R₇共地，ABCDEFGHIJKL均为控制器的端口，其中，A为市电供电继电器K₁的控制端口、L为蓄电池供电继电器K₂的控制端口、BC为光伏或市电供电电流的取样端口、HI为蓄电池充放电电流的取样端口、D为光伏或市电电压的取样端口、G为蓄电池电压的取样端口、EF分别为Q₁Q₂的控制端口、JK为蓄电池端电压的取样端口。

所述光伏功率够用是指太阳能电池板提供的光伏功率大于等于负载所需功率。

蓄电池在线修正的容量估算模型为：

式中：β为比例系数，其值在0.8至1.0之间，根据电池的具体情况通过实验确定；Q为蓄电池在t₁时刻的电量；Q^*为蓄电池的标称电量；ΔQ为蓄电池初始电量校正值，即实际电量与标称电量Q^*之差；为安时积分项，安时积分项中的I(t)为蓄电池充、放电电流，通过在线检测获取，充电时取正、放电时取负；η_tem为温度补偿系数；η_hea为用于表示蓄电池健康状况的综合因子。

所述温度补偿系数η_tem的计算公式如下：

η_tem＝1+K(T-25)

其中，K的取值范围在0.05～0.08之间；T为实际环境温度；

用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea的计算公式如下：

η_hea＝η_rη_v,0＜η_hea＜1

其中，

式中，η_r为用于表示蓄电池内阻变化的健康因子；η_v为用于表示蓄电池电压回升率变化的健康因子；R_k、R_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池的平均内阻，单位为毫欧；R_m为全部奇数次检测周期内平均内阻的乘积，R_n为全部偶数次检测周期内平均内阻的乘积；V_k、V_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池电压平均回升速率，单位为10^-4伏/秒；V_m为全部奇数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积、V_n为全部偶数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积。

所述R_k的测量方法如下：每次蓄电池充满电并静置一段时间后，由控制器测量蓄电池的内阻并存储在存储器中，采用交流法或直流法中的一种进行测量，每次的测量方法必须相同，每测量N次进行一次均值滤波处理，得到一个均值R_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。

所述V_k的测量方法如下：每次蓄电池放电至某截止开路电压V_o后，静置并采样开路电压值，待电压稳定后取开路电压值V_t和开路电压回升时间t，计算电压回升速率V₁＝(V_t-V_o)/t，并存储在控制器的存储器中，每测量N次进行一次滤波处理，得到一个均值V_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。

由上述技术方案可知，本发明先通过计算用于表示蓄电池内阻变化的健康因子η_r，用于表示蓄电池电压回升率变化的健康因子η_v，来计算基于它们的用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea；再通过用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea、安时积分项和温度补偿系数η_tem共同形成蓄电池在线修正的容量估算模型Q。系统初始化后，控制器检测光伏电压是否正常；根据光伏电压的正常与否，去控制光电互补供电系统的工作状态；在蓄电池对负载供电或蓄电池充电的过程中，进行安时积分、测量环境温度，并结合温度补偿系数η_tem、用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea对蓄电池的实际电量进行修正，并对剩余电量进行估算。本发明通过对蓄电池的充放电电流、端电压、内阻、温度进行实时在线检测，对光电互补供电系统的工作状态进行控制，实时准确地在线估算出蓄电池剩余电量。

附图说明

图1为本发明可以应用的一种光电互补供电系统的结构示意图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，包括：

步骤一，系统初始化后，控制器检测光伏电压是否正常，即光伏系统是否能正常发电；

步骤二，若步骤一的判断结果为是，则控制市电供电继电器K₁、蓄电池供电继电器K₂断开，由光伏对负载供电，打开MOS管Q₁，控制MOS管Q₁进行最大功率跟踪控制；接着，判断是否同时满足光伏功率够用且蓄电池的电量已经小于等于下限，即Q≤Q_min，若满足，则打开MOS管Q₂，控制MOS管Q₂给蓄电池充电，并设置正在充电标志；否则，关断MOS管Q₂，清除正在充电标志，检测并计算蓄电池电压回升速率，修正V_m、V_n，检测并计算蓄电池内阻，修正R_m、R_n；由于充电或放电后，静置一段时间蓄电池端电压会上升，上升得越慢电池越健康，越快电池越差，所以需要对V_m、V_n进行修正，同时，蓄电池的内阻也是健康状况的表现，内阻越小越健康，随着使用周期的增加，内阻越来越大，因此需要对R_m、R_n进行修正；

步骤三，若步骤一的判断结果为否，若蓄电池的电量大于下限，即Q＞Q_min，且蓄电池并非处于充电状态，则闭合蓄电池供电继电器K₂，关断MOS管Q₁、Q₂，由蓄电池对负载供电；若蓄电池正在充电，或蓄电池对负载供电至Q≤Q_min，则闭合市电供电继电器K₁，由市电对负载供电，并对蓄电池充电，同时设置正在充电标志；

步骤四，在蓄电池对负载供电或蓄电池充电的过程中，进行安时积分、测量环境温度，并结合温度补偿系数η_tem、用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea对蓄电池的实际电量进行修正，并对剩余电量进行估算。

所述光伏功率够用是指太阳能电池板提供的光伏功率大于等于负载所需功率。

蓄电池在线修正的容量估算模型为：

式中：β为比例系数，其值在0.8至1.0之间，根据电池的具体情况通过实验确定；Q为蓄电池在t₁时刻的电量；Q^*为蓄电池的标称电量；ΔQ为蓄电池初始荷电量校正值，即实际电量与标称电量Q^*之差；为安时积分项，安时积分项中的I(t)为蓄电池充、放电电流，通过在线检测获取，充电时取正、放电时取负；η_tem为温度补偿系数；η_hea为用于表示蓄电池健康状况的综合因子。

所述温度补偿系数η_tem的计算公式如下：

η_tem＝1+K(T-25)

其中，K的取值范围在0.05～0.08之间；T为实际环境温度；

用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea的计算公式如下：

η_hea＝η_rη_v,0＜η_hea＜1

其中，

式中，η_r为用于表示蓄电池内阻变化的健康因子；η_v为用于表示蓄电池电压回升率变化的健康因子；R_k、R_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池的平均内阻，单位为毫欧；R_m为全部奇数次检测周期内平均内阻的乘积，R_n为全部偶数次检测周期内平均内阻的乘积；V_k、V_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池电压平均回升速率，单位为10^-4伏/秒；V_m为全部奇数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积、V_n为全部偶数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积。检测周期可以为一周或十天，也可以一个月，视具体情况而定。每个检测周期蓄电池内阻、电压回升速率的检测次数相等。

所述R_k的测量方法如下：每次蓄电池充满电并静置一段时间后，由控制器测量蓄电池的内阻并存储在存储器中，采用交流法或直流法中的一种进行测量，每次的测量方法必须相同，每测量N次进行一次均值滤波处理，得到一个均值R_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。

所述V_k的测量方法如下：每次蓄电池放电至某截止开路电压V_o后，静置并采样开路电压值，待电压稳定后取开路电压值V_t和开路电压回升时间t，计算电压回升速率V₁＝(V_t-V_o)/t，并存储在控制器的存储器中，每测量N次进行一次滤波处理，得到一个均值V_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。

图1为本发明可以应用的一种光电互补供电系统的结构示意图，如图1所示，J₁为光伏输入端、J₂为市电输入端、J₃负载接入端；市电经过整流桥B₁整流变成直流，二极管D₁D₂构成光伏与市电的或选择；市电供电继电器K₁控制市电供电、蓄电池供电继电器K₂控制蓄电池供电，二者均为常开继电器；MOS管Q₁实现光伏的最大功率跟踪控制、MOS管Q₂实现蓄电池充电控制；L₁为滤波电感、D₃为续流二极管、C₁C₂C₃C₄均为滤波电容、R₀为光伏或市电供电电流的取样电阻、R₁为蓄电池充放电电流的取样电阻、R₂R₃为光伏或市电电压的取样电阻、R₆R₇为蓄电池电压的取样电阻；R₄为控制器的Q₁控制端口限流电阻；ABCDEFGHIJKL均为控制器的端口，其中，A为市电供电继电器K₁的控制端口、L为蓄电池供电继电器K₂的控制端口、BC为光伏或市电供电电流的取样端口、HI为蓄电池充放电电流的取样端口、D为光伏或市电电压的取样端口、G为蓄电池电压的取样端口、EF分别为Q₁Q₂的控制端口、JK为蓄电池端电压的取样端口。

由于单独用开路电压回升速率或者电池内部阻抗来判断蓄电池的健康状态都存在一定偏差，经过长期的电池性能测试研究发现，以蓄电池放电之后开路电压回升速率为主要判断因素，并用蓄电池在此状态下的内阻加以修正，能够得到相对准确的蓄电池健康状态，使得蓄电池剩余电量的估算更加准确。安时积分法在线估计蓄电池剩余电量已经得到了广泛应用，本发明解决了由于电池老化、环境温度等因素所造成的安时积分法剩余电量估计的偏差问题。

综上所述，本发明先通过计算用于表示蓄电池内阻变化的健康因子η_r，用于表示蓄电池电压回升率变化的健康因子η_v，来计算基于它们的用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea；再通过用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea、安时积分项和温度补偿系数η_tem共同形成蓄电池在线修正的容量估算模型Q。本发明通过对蓄电池的充放电电流、端电压、内阻、温度进行实时在线检测，对光电互补供电系统的工作状态进行控制，实时准确地在线估算出蓄电池剩余电量。

Claims (6)

1.一种光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)系统初始化后，控制器检测光伏电压是否正常，即光伏系统是否能正常发电；

(2)若步骤一的判断结果为是，则控制市电供电继电器K₁、蓄电池供电继电器K₂断开，由光伏对负载供电，打开MOS管Q₁，控制MOS管Q₁进行最大功率跟踪控制；接着，判断是否同时满足光伏功率够用且蓄电池的电量已经小于等于下限，即Q≤Q_min，若满足，则打开MOS管Q₂，控制MOS管Q₂给蓄电池充电，并设置正在充电标志；否则，关断MOS管Q₂，清除正在充电标志，检测并计算蓄电池电压回升速率，修正V_m、V_n，检测并计算蓄电池内阻，修正R_m、R_n；

(3)若步骤一的判断结果为否，蓄电池的电量大于下限，即Q＞Q_min，且蓄电池并非处于充电状态，则闭合蓄电池供电继电器K₂，关断MOS管Q₁、Q₂，由蓄电池对负载供电；若蓄电池正在充电，或蓄电池对负载供电至Q≤Q_min，则闭合市电供电继电器K₁，由市电对负载供电，并对蓄电池充电，同时设置正在充电标志；

(4)在蓄电池对负载供电或蓄电池充电的过程中，进行安时积分、测量环境温度，并结合温度补偿系数η_tem、用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea对蓄电池的实际电量进行修正，并对剩余电量进行估算；

所述市电供电继电器K₁的一端接市电输入端，另一端与整流桥B₁的输入端相连，整流桥B₁的输出端分别与滤波电容C₁、滤波电容C₂、二极管D₂的阳极相连，二极管D₂的阴极分别与二极管D₁的阴极、滤波电容C₃、滤波电容C₄、取样电阻R₂、MOS管Q₁的漏极相连，取样电阻R₂和取样电阻R₃串联，MOS管Q₁的源极分别与续流二极管D₃的阴极、滤波电感L₁的一端相连，滤波电感L₁的另一端接MOS管Q₂的漏极，MOS管Q₂的源极分别与蓄电池电压的取样电阻R₆、蓄电池供电继电器K₂的一端、蓄电池的正极相连，蓄电池电压的取样电阻R₆与蓄电池电压的取样电阻R₇串联，蓄电池供电继电器K₂的另一端接J₃负载接入端；光伏输入端J₁的第一输出端与二极管D₁的阳极相连，光伏输入端J₁的第二输出端与取样电阻R₀的一端相连，取样电阻R₀的另一端与滤波电容C₁、滤波电容C₂、滤波电容C₃、滤波电容C₄、取样电阻R₃、续流二极管D₃、取样电阻R₇共地，ABCDEFGHIJKL均为控制器的端口，其中，A为市电供电继电器K₁的控制端口、L为蓄电池供电继电器K₂的控制端口、BC为光伏或市电供电电流的取样端口、HI为蓄电池充放电电流的取样端口、D为光伏或市电电压的取样端口、G为蓄电池电压的取样端口、EF分别为Q₁Q₂的控制端口、JK为蓄电池端电压的取样端口。

2.根据权利要求1所述的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，其特征在于：所述光伏功率够用是指太阳能电池板提供的光伏功率大于等于负载所需功率。

3.根据权利要求1所述的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，其特征在于：蓄电池在线修正的容量估算模型为：

$Q={\mathrm{\β\η}}_{tem}{\mathrm{\η}}_{hea}\[Q^{*}+\mathrm{\Δ}Q\]+{\∫}_{t_0}^{t_1}I\left(t\right)dt$

式中：β为比例系数，其值在0.8至1.0之间，根据电池的具体情况通过实验确定；Q为蓄电池在t₁时刻的电量；Q^*为蓄电池的标称电量；ΔQ为蓄电池初始荷电量校正值，即实际电量与标称电量Q^*之差；为安时积分项，安时积分项中的I(t)为蓄电池充、放电电流，通过在线检测获取，充电时取正、放电时取负；η_tem为温度补偿系数；η_hea为用于表示蓄电池健康状况的综合因子。

4.根据权利要求3所述的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，其特征在于：所述温度补偿系数η_tem的计算公式如下：

η_tem＝1+K(T-25)

其中，K的取值范围在0.05～0.08之间；T为实际环境温度；

用于表示蓄电池健康状况的综合因子η_hea的计算公式如下：

η_hea＝η_rη_v,0＜η_hea＜1

其中，

$\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&eta;}}_r=\frac{R_m}{R_n}=\frac{R_1}{R_2}\frac{R_3}{R_4}...\frac{R_k}{R_{k+1}},& k=1,2,3,...& 0<{\mathrm{\&eta;}}_r<1\end{array}$

$\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&eta;}}_v=\frac{V_m}{V_n}=\frac{V_1}{V_2}\frac{V_3}{V_4}...\frac{V_k}{V_{k+1}},& k=1,2,3,...& 0<{\mathrm{\&eta;}}_v<1\end{array}$

式中，η_r为用于表示蓄电池内阻变化的健康因子；η_v为用于表示蓄电池电压回升率变化的健康因子；R_k、R_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池的平均内阻，单位为毫欧；R_m为全部奇数次检测周期内平均内阻的乘积，R_n为全部偶数次检测周期内平均内阻的乘积；V_k、V_k+1分别为第k和第k+1两个相邻检测周期蓄电池电压平均回升速率，单位为10^-4伏/秒；V_m为全部奇数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积、V_n为全部偶数次检测周期内蓄电池电压平均回升速率的乘积。

5.根据权利要求4所述的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，其特征在于：所述R_k的测量方法如下：每次蓄电池充满电并静置一段时间后，由控制器测量蓄电池的内阻并存储在存储器中，采用交流法或直流法中的一种进行测量，每次的测量方法必须相同，每测量N次进行一次均值滤波处理，得到一个均值R_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。

6.根据权利要求4所述的光电互补供电系统蓄电池剩余电量的准确估算方法，其特征在于：所述V_k的测量方法如下：每次蓄电池放电至某截止开路电压V_o后，静置并采样开路电压值，待电压稳定后取开路电压值V_t和开路电压回升时间t，计算电压回升速率V₁＝(V_t-V_o)/t，并存储在控制器的存储器中，每测量N次进行一次滤波处理，得到一个均值V_k，k＝1,2,3,…，N取一个大于等于10的固定值。