RTG用高功率磷酸鐵鋰電池SOC分析

曹儀明 周 毅 沈汝超

1．上海滬東集裝箱碼頭有限公司

2．上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司

3．上海國際港務(wù)（集團）股份有限公司

0 引言

近年來，隨著高功率鋰電池相關(guān)技術(shù)的進步，一種以小發(fā)動機加大功率鋰電池為動力的RTG混合動力節(jié)能技術(shù)因節(jié)能效果顯著在港口業(yè)被推廣應(yīng)用。在鋰電池的選擇上，三元鋰電池的單體電壓與SOC容量成正比容易估算，且其具有能量密度高、大功率和大倍率充電等優(yōu)勢，在RTG混合動力節(jié)能改造中被廣泛應(yīng)用。但其生產(chǎn)、工藝和設(shè)備等方面對技術(shù)要求壁壘高，采購成本也相對較高，長期由國外制造商提供。相比之下，磷酸鐵鋰電池具有較高穩(wěn)定性和安全性，且具有耐高溫、壽命長、價格低，和綠色環(huán)保等優(yōu)點，如能提高SOC的估算準(zhǔn)確則是三元鋰電池的良好替代品。

1 高功率磷酸鐵鋰電池在RTG上的應(yīng)用設(shè)計

RTG是集裝箱碼頭堆場作業(yè)主力設(shè)備（圖1），其連續(xù)作業(yè)的特點，可靠性要求高、機動性強，一旦發(fā)生故障，要求快速修復(fù)或快速脫離作業(yè)區(qū)域，將裝卸船作業(yè)和進提箱作業(yè)影響降到最低。為維護港口正常的工作運營，采用電池管理系統(tǒng)多支路并聯(lián)控制技術(shù)，考慮RTG作業(yè)時實際輸出電流在400A～500A，電池組設(shè)計采用了3支路并聯(lián)形式，單支路容量為52Ah，單支路電池最大充電電流瞬時值為200A，最大放電電流瞬時值為250A，系統(tǒng)最大充電電流瞬時值為600A，最大放電電流瞬時值為750A，能滿足RTG作業(yè)需要?？紤]到RTG實際運行電壓范圍在620V～720V之間，電壓過低會導(dǎo)致變頻器三相電壓輸出波形失真引起欠壓故障，電壓過高會導(dǎo)致變頻器大功率器件耐壓不夠引起過壓故障。因此，單支路電池選用17個模塊，每個模塊串聯(lián)12個單體，共204串電池，標(biāo)稱電壓652．8V,SOC設(shè)定區(qū)間范圍在55%～76%，進行連續(xù)充放電循環(huán)。

圖1 實際運行場景圖

充電時，柴油發(fā)電機發(fā)電，恒壓給電池充電。充電電流約為25A，當(dāng)三個支路平均SOC為76%時，充電結(jié)束，發(fā)電機停止工作，電池開始給負載設(shè)備供電。RTG作業(yè)時，電池既能獨自驅(qū)動電機工作，也可與發(fā)電機一起混合使用，分配輸出功率，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。當(dāng)下行放集裝箱時，重力勢能回饋產(chǎn)生的電能存儲到鋰電池內(nèi)部，降低柴油機帶來的噪音及黑煙污染，達到節(jié)能減排。當(dāng)放電到三個支路平均SOC為55%，開始轉(zhuǎn)為充電。

RTG動力鋰電池組實際運行工況模式，電流數(shù)據(jù)如圖2所示:

圖2 實際運行工況模式電流數(shù)據(jù)圖

電壓數(shù)據(jù)如圖3所示：

圖3 實際運行工況模式電壓數(shù)據(jù)圖

2 高功率磷酸鐵鋰電池SOC估算

由上述應(yīng)用設(shè)計可知，SOC的準(zhǔn)確估算是整套系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。圖4和圖5描繪的磷酸鐵鋰電池的單體充放電特性表明，當(dāng)SOC在20%～80%的范圍時，單體電壓變化不大，特別是充放電特性曲線幾乎是一條直線，給準(zhǔn)確估算帶來較大難度。傳統(tǒng)的解決方法是電流積分法配合電壓矯正法對SOC進行估算，但由于RTG電池組運行工況區(qū)間的限制，沒有上限電壓滿電(3．65V)矯正點，以致傳統(tǒng)的電流積分配合電壓矯正法經(jīng)常出現(xiàn)估算錯誤，引起三支路SOC不平衡故障。為解決SOC精確估算問題，系統(tǒng)采取了如下優(yōu)化措施：

圖4 單體充電倍率曲線

圖5 單體放電倍率曲線

2.1 優(yōu)化測算模型

1）擴大電池OCV表的測試數(shù)據(jù)量，細化單體電壓和SOC的關(guān)系。

2）提高下限電壓閾值矯正點，降低上限電壓閾值矯正點，縮小帶寬。根據(jù)電池模型函數(shù)計算，在運行區(qū)間內(nèi)，使SOC隨著單體電壓呈現(xiàn)震蕩回滯。電池模型如圖6所示，電池模型函數(shù)如圖7所示：

圖6 電池模型

圖7 電池模型函數(shù)（K0、K1、K2分別為系數(shù)）

3）根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，分別選取上限電壓3．5V作為SOC值80%參考點，下限電壓3．0V作為SOC值55%參考點。

2.2 引入電池靜置模型

電池管理系統(tǒng)增加了電池控制均衡功能，利用每次RTG保養(yǎng)完成后進入下班作業(yè)的待機時間，電池內(nèi)部進行自平衡。由于電池電壓存在滯回效應(yīng)，電池靜置一段時間后，電池端電壓等于電池的靜態(tài)電動勢。當(dāng)系統(tǒng)每次喚醒后，根據(jù)時鐘計算電池單體電壓參數(shù)，遍歷OCV表，查詢到一個合適的SOC值，對比當(dāng)前的SOC進行校正，每次校正的最大幅度為5%，如圖8所示。

圖8 OCV矯正模型

2.3 引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

通過遠程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電池組單體電壓、單體溫度、系統(tǒng)電壓和電流進行實時監(jiān)控，自動將數(shù)據(jù)從云服務(wù)器下載到本地，從而得到大量數(shù)據(jù)，送入電池模型進行自學(xué)習(xí)，不停迭代，修正參數(shù)，減少SOC估算誤差，遠程監(jiān)控如圖9所示，SOC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡化模型如圖10所示。

圖9 遠程監(jiān)控界面數(shù)據(jù)

圖10 SOC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡化模型

3 實際運行效果

改進前的算法在實際作業(yè)中，其運行結(jié)果如圖11所示。由圖11可見系統(tǒng)在充放電循環(huán)下，三個支路SOC表現(xiàn)出了明顯差異。

圖11 改進前三個支路的SOC

通過優(yōu)化電池測算模型，增強了充放電曲線SOC跟隨單體電壓的魯棒性；維保時引入電池靜止模型，增加了OCV電壓矯正算法，以及遠程監(jiān)控實時數(shù)據(jù)下載，帶入大量數(shù)據(jù)到模型，不斷自學(xué)習(xí)和修正參數(shù)，運行結(jié)果有了很大改善。如圖12和圖13所示，為高功率磷酸鐵鋰電池在RTG上的應(yīng)用提供了技術(shù)解決方案。

圖12 改進后三個支路的SOC

圖13 改進后三個支路最大、最小單體電壓

4 結(jié)論

在實際試驗中，通過對高功率磷酸鐵鋰電池在RTG應(yīng)用中的實際工況和單體充放電特性進行分析，提出對電流線性積分、端電壓矯正模型的優(yōu)化。通過引入電池靜置模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)對高功率磷酸鐵鋰電池SOC的精確估算。