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鋰離子電池荷電狀態(tài)預(yù)測方法

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1017次  |  2021年09月01日  

鋰離子電池的荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)的緊要參數(shù)之一,也是整個(gè)汽車的充放電控制策略和電池均衡工作的根據(jù)。但是由于鋰離子電池本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其荷電狀態(tài)不能通過筆直測量得到,僅能依據(jù)電池的某些外特性,如電池的內(nèi)阻、開路電壓、溫度、電流等相關(guān)參數(shù),利用相關(guān)的特性曲線或計(jì)算公式完成對荷電狀態(tài)的預(yù)測工作。


鋰離子電池的荷電狀態(tài)估算是非線性的,目前常用的辦法緊要有放電試驗(yàn)法、開路電壓法、安時(shí)積分法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。


1放電試驗(yàn)法


放電試驗(yàn)法的原理是:以恒定的電流使電池處于不間斷的放電狀態(tài),當(dāng)放電到達(dá)截止電壓時(shí)對所放電量進(jìn)行計(jì)算。放電電量值為放電時(shí)所采用的恒定電流值與放電時(shí)間的乘積值。放電試驗(yàn)法常常在試驗(yàn)室條件下估算電池的荷電狀態(tài),并且目前許多電池廠商也采用放電法進(jìn)行電池的探測。


它的顯著優(yōu)勢是辦法簡單,估算精度也相對較高。其缺點(diǎn)也很突出:不可以帶負(fù)載測量,要占用大量的測量時(shí)間,并且放電測量時(shí),非得中斷電池之前進(jìn)行的工作,使電池置于脫機(jī)狀態(tài),因此不能在線測量。行駛中的電動(dòng)汽車電池一直處于工作狀態(tài),其放電電流并不恒定,此法不適用。但放電試驗(yàn)法可在電池檢修和參數(shù)模型的確定中使用。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

2開路電壓法


電池長時(shí)間充足靜置后的各項(xiàng)參數(shù)相對穩(wěn)定,此時(shí)的開路電壓與電池荷電狀態(tài)間的函數(shù)關(guān)系也是相比較較穩(wěn)定的。若想獲得電池的荷電狀態(tài)值,只需測得電池兩端的開路電壓,并對照OCV-SOC曲線來獲取相應(yīng)信息。


開路電壓法的優(yōu)勢是操作簡單,只需測量開路電壓值對照特性曲線圖即可獲得荷電狀態(tài)值。但是其缺點(diǎn)有很多:首先此辦法要想獲得準(zhǔn)確值,非得使電池電壓處于相對穩(wěn)定狀態(tài),但電池往往要長時(shí)間的靜置,方可處于此狀態(tài),從而無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測要求,往往使用于電動(dòng)汽車長時(shí)間的駐車時(shí)。


當(dāng)電池充放電比率不同的情況下,由于電流的波動(dòng)會(huì)使電池開路電壓發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電池包的開路電壓不一致,使得預(yù)測的剩余電量與電池實(shí)際剩余電量出現(xiàn)較大偏差。


3安時(shí)積分法

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

安時(shí)積分法不考慮電池內(nèi)部的用途機(jī)理,依據(jù)系統(tǒng)的某些外部特點(diǎn),如電流、時(shí)間、溫度補(bǔ)償?shù)龋ㄟ^對時(shí)間和電流進(jìn)行積分,有時(shí)還會(huì)加上某些補(bǔ)償系數(shù),來計(jì)算流入流出電池的總電量,從而估算電池的荷電狀態(tài)。目前安時(shí)積分法在電池管理系統(tǒng)中被廣泛使用。安時(shí)積分法的計(jì)算公式如下:


式中,SOC0是電池電荷狀態(tài)的初始電量值;CE是電池的額定容量;I(t)為電池在t時(shí)刻的充放電電流;t為充放電的時(shí)間;η為充放電效率系數(shù),又被稱作庫倫效率系數(shù),代表了充放電過程中電池內(nèi)部的電量耗散,一般以充電放電的倍率和溫度修正系數(shù)為主。


安時(shí)積分法的優(yōu)勢是受電池自身情況的限制相對較小,計(jì)算辦法簡單、可靠,能夠?qū)﹄姵氐暮呻姞顟B(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的估算。其缺點(diǎn)是由于安時(shí)計(jì)量法在控制中屬于開環(huán)的測試,倘若電流的采集精度不高,給定的初始荷電狀態(tài)有一定誤差,伴隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延伸,之前出現(xiàn)的誤差會(huì)逐漸累積,從而影響荷電狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果。并且由于安時(shí)積分法只是從外特性來分解荷電狀態(tài),多環(huán)節(jié)存在一定誤差。從安時(shí)積分法計(jì)算公式中可以看出,電池的初始電量對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。


為了能使電流測量的精度得到提高,通常采用高性能的電流傳感器來測量電流,但這樣加大了成本。為此,許多學(xué)者在使用安時(shí)積分法的同時(shí)使用開路電壓法,將二者結(jié)合。開路電壓法用來估算電池的初始荷電狀態(tài),安時(shí)積分法用于實(shí)時(shí)估算,并且在算式中添加相關(guān)修正因子,以提高計(jì)算準(zhǔn)確性。


4卡爾曼濾波法


卡爾曼濾波算法是利用時(shí)域狀態(tài)空間理論的一種最小方差估計(jì),屬于統(tǒng)計(jì)估計(jì)的領(lǐng)域,宏觀上就是盡可能減小和消除噪聲對觀測信號(hào)的影響,其核心是最優(yōu)估計(jì),即系統(tǒng)的輸入量在預(yù)估基礎(chǔ)上對狀態(tài)變量進(jìn)行的有效修正。


該算法的基本原理是:將噪聲與信號(hào)的狀態(tài)空間模型作為算法模型,在測量時(shí),使用當(dāng)前時(shí)刻的觀測值與上一時(shí)刻的估計(jì)值,對狀態(tài)變量的估算進(jìn)行更新。卡爾曼濾波算法對鋰離子電池荷電狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測的實(shí)質(zhì)是安時(shí)積分法,同時(shí)用測量的電壓值來對初步預(yù)測得到的值進(jìn)行修正。


卡爾曼濾波法的優(yōu)勢是適合計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算解決,使用范圍廣,可以用于非線性系統(tǒng),對行駛過程中電動(dòng)汽車的荷電狀態(tài)預(yù)測具有較好的效果。卡爾曼濾波法的缺點(diǎn)是對電池模型的準(zhǔn)確程度依靠較大,為了提高該算法預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度,要建立可靠的電池模型。此外,卡爾曼濾波法的算法相比較較復(fù)雜,因此其計(jì)算量也相對較大,對運(yùn)算器的性能有較高要求。


5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法


神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是模仿人類的智能行為,通過并行結(jié)構(gòu)與自身較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力獲得數(shù)據(jù)表達(dá)的能力,能夠在外部激勵(lì)存在時(shí)給出相應(yīng)的輸出應(yīng)和,并使具有良好的非線性映射能力。


神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法使用于鋰離子電池荷電狀態(tài)測試的原理是:將大量相對應(yīng)的電壓、電流等外部數(shù)據(jù)以及電池的荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身學(xué)習(xí)過程中輸入信息的正向傳播和誤差傳遞的反向傳播反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練和修改,在預(yù)測的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的誤差范圍內(nèi)時(shí),通過輸入新的數(shù)據(jù)來得到電池的荷電狀態(tài)預(yù)測值。


神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢是可以對各種電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算,適用范圍廣;不要建立特定的數(shù)學(xué)模型,不用考慮電池內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)變化過程,只需選擇適宜的樣本,以及建立較好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并且樣本數(shù)據(jù)越多,其估算的精度越高;能夠隨時(shí)確定電池的荷電狀態(tài)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是對硬件要求較高,訓(xùn)練時(shí)所采用的數(shù)據(jù)樣本的準(zhǔn)確性、樣本容量和樣本分布以及訓(xùn)練辦法都會(huì)對電池的荷電狀態(tài)預(yù)測出現(xiàn)很大的影響。


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