光伏儲能電池SOC估算研究

郭秋云+張婷+王振

摘 要 研究電池荷電狀態(tài)（SOC）不僅對光伏儲能起到積極促進(jìn)作用，對電動汽車中動力電池BMS的研究也大有益處。文章采用二階RC等效電路模型，并對電池模型的參數(shù)進(jìn)行辨識。聯(lián)合電池模型，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法對電池SOC進(jìn)行估算。在MATLAB上的仿真結(jié)果表明，采用二階RC模型可以較好的模擬電池外在特性，EKF算法也能很好的滿足估算的精度要求。

關(guān)鍵詞 建模；SOC；仿真

中圖分類號 TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0188-02

近年來隨著國民生活水平的提高，能源與環(huán)境問題得到越來越多的關(guān)注，光伏發(fā)電以其顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，得到了大力發(fā)展支持。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)供電質(zhì)量，配備儲能電池是非常重要的一個(gè)措施[ 1 ]。針對適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能的電池：磷酸鐵鋰電池，其SOC的估算不僅對延長電池使用壽命具有指導(dǎo)意義，而且還為儲能變換器切換提供依據(jù)。鋰電池SOC的估算研究，首先要建立高精度的電池模型。本文采用二階RC等效電路模型來模擬電池外特性，并使用安時(shí)積分法與EKF相結(jié)合的SOC估算方法來估算電池SOC[ 2 ]。

1 電池等效電路模型分析

1.1 鋰電池等效電路模型

常用電池建模方法有3種：實(shí)驗(yàn)建模、電化學(xué)建模、電池等效電路建模。等效電路模型利用電源、電阻、電容器件來模擬電池動態(tài)特性，目前得到廣泛應(yīng)用[3]。提出的比較成熟的等效電路模型有Rint模型、RC模型、Thevenin模型和PNGV模型等[ 4 ]。等效電路模型能適用于各種電池，且其狀態(tài)空間方程可以通過等效電路推導(dǎo)出來，便于使用不同的方法進(jìn)行分析與實(shí)驗(yàn)。介于等效電路模型以上眾多的優(yōu)點(diǎn)，本文擬采用二階RC等效電路模型來模擬磷酸鐵鋰電池的動態(tài)特性。二階RC模型的參數(shù)辨識簡單，狀態(tài)空間方程容易建立，與一階RC等效電路模型相比[5]，能有效提高電池的動態(tài)響應(yīng)特性，較三階及以上模型，大大減輕了運(yùn)算量。

等效電路模型電路圖如下圖1所示，OCU：電池開路電壓；0 R：電池歐姆電阻；1 R、1C并聯(lián)電路模擬電池電化學(xué)極化效應(yīng)，2R、2C并聯(lián)電路模擬電池濃差極化效應(yīng)。

1.2 二階RC模型狀態(tài)方程

1.3 模型參數(shù)辨識

模擬真實(shí)的電池特性前，需要對電路模型參數(shù)進(jìn)行辨識，需要辨識的參數(shù)有：OCU、0 R、1 R、1C、2R、2C。常用電池參數(shù)辨識方法有：離線參數(shù)辨識、在線參數(shù)辨識。這里介紹離線參數(shù)辨識獲得電路模型的參數(shù)。

電池在充放電時(shí)，相應(yīng)參數(shù)值并不相同。電池模型的參數(shù)辨識采用在恒溫（25℃）條件下，使用恒流脈沖充、放電的方法。以放電實(shí)驗(yàn)為例，具體講述相應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟。方案采用1C放電倍率，對電池進(jìn)行循環(huán)放電，每次放電360s停止放電，靜止1h，電池SOC下降10%，依次循環(huán)放電十次，測量電池端電壓與電池SOC，由此可得出SOC與OCU的對應(yīng)值。在MATLAB中建立相應(yīng)查表程序，即可根據(jù)SOC值得到相應(yīng)狀態(tài)下的OCU。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

通過MATLAB上的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電池模型與EKF算法的精度。在MATLAB中搭建電池等效電路模型，采用MATLAB自帶電池模擬真實(shí)鋰電池，等效電路模型與MATLAB自帶電池輸出電壓如圖2所示。采用EKF算法估算出的電池SOC與電池SOC真實(shí)值的對比結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

文中以3.2V/5Ah磷酸鐵鋰電池作為研究對象，采用二階RC等效電路模型，對模型參數(shù)進(jìn)行離線辨識，在安時(shí)積分法的基礎(chǔ)上采用EKF算法對電池進(jìn)行電量估算，在MATLAB中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)仿真結(jié)果可知，所搭建的二階RC等效電路模型能很好的與MATLAB自帶的電池模型匹配，采用二階RC等效電路模型結(jié)合EKF算法能很好的對鋰電池SOC進(jìn)行估算。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭國軍，栗文義，文博，等.分布式儲能在風(fēng)/光/儲系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電氣自動化，2014（5）：48-50.

[2]沈丹.電動汽車電池組單體電池管理系統(tǒng)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[3]汪涵，鄭燕萍，蔣元廣等.實(shí)用型磷酸鐵鋰電池SOC高準(zhǔn)度算法研究[J].電源技術(shù)，2011（10）：1198-1200，1207.

[4]韓智強(qiáng)，姜久春，孫丙香，等.鋰離子動力電池電路模型的頻率特性分析[J].電源技術(shù)，2015（2）：268-272.