本發(fā)明涉及超級(jí)電容器荷電狀態(tài)估計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動(dòng)態(tài)容值修正的超級(jí)電容器荷電狀態(tài)估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

超級(jí)電容器基于離子吸附表面現(xiàn)象，在電極-電解液界面完成充放電過程，是介于電解電容器與傳統(tǒng)蓄電池之間的一種儲(chǔ)能器件，涉及的靜電儲(chǔ)能原理不破壞化學(xué)鍵且過程穩(wěn)定。超級(jí)電容器具有功率密度高、充放電速度快、工作溫度范圍寬和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于能量的快速存儲(chǔ)與釋放。因此，在可再生能源接入中的能量存儲(chǔ)與電壓補(bǔ)償、城市軌道交通制動(dòng)能量回收與利用、新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)、電梯備用電源等規(guī)?；瘍?chǔ)能領(lǐng)域中有著其它儲(chǔ)能方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)(soc)估計(jì)是能量管理系統(tǒng)的核心功能，準(zhǔn)確的soc估計(jì)是防止過充電和過放電的前提條件，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的安全、高效運(yùn)行具有重要意義。目前在工程中常用的soc估計(jì)方法為安時(shí)積分法和開路電壓法，但積分法中電流的測(cè)量誤差會(huì)造成soc估計(jì)誤差逐漸增大，開路電壓法需要超級(jí)電容器靜置較長(zhǎng)時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)。此外，在理論研究中還存在狀態(tài)觀測(cè)器、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法等，但這些方法運(yùn)算量較大，不利于實(shí)際工程應(yīng)用。例如，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310296011.4的中國(guó)專利申請(qǐng)公開的一種基于滑模觀測(cè)器的超級(jí)電容器組荷電狀態(tài)估計(jì)方法。又例如，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510128697.5的中國(guó)專利申請(qǐng)公開的一種基于卡爾曼濾波算法的超級(jí)電容器荷電狀態(tài)估算方法。

為此，申請(qǐng)人進(jìn)行了有益的探索和嘗試，找到了解決上述問題的辦法，下面將要介紹的技術(shù)方案便是在這種背景下產(chǎn)生的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：針對(duì)現(xiàn)有的超級(jí)電容器soc估計(jì)方法存在誤差較大、無法實(shí)時(shí)估計(jì)等問題，而提供一種具有較高精度且計(jì)算流程簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)的基于動(dòng)態(tài)容值修正的超級(jí)電容器電荷狀態(tài)估計(jì)方法。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于動(dòng)態(tài)容值修正的超級(jí)電容器電荷狀態(tài)估計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟s10，周期性檢測(cè)超級(jí)電容器的溫度、電壓和電流；

步驟s20，判斷超級(jí)電容器是否發(fā)生電荷再分配，判斷為是，則利用上一次的soc估計(jì)值作為新一次的soc估計(jì)值并輸出，判斷為否，則進(jìn)入步驟s30；

步驟s30，根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)，再根據(jù)實(shí)時(shí)辨識(shí)出來的參數(shù)計(jì)算超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)；

步驟s40，將步驟s30計(jì)算得出的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)在超級(jí)電容器安全工作區(qū)間內(nèi)作歸一化處理作為soc初步估計(jì)值；

步驟s50，利用動(dòng)態(tài)容值對(duì)步驟s4處理得到的soc初步估計(jì)值進(jìn)行修正后得到最終的soc估計(jì)值并輸出。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在所述步驟s20中，所述判斷超級(jí)電容器是否發(fā)生電荷再分配的方法為：若檢測(cè)到超級(jí)電容器的電壓值大于上一次的檢測(cè)值且電流方向?yàn)榉烹?，或檢測(cè)到超級(jí)電容器的電壓值小于上一次的檢測(cè)值且電流方向?yàn)槌潆?，則判定為超級(jí)電容器發(fā)生電荷再分配，否則判定為超級(jí)電容器未發(fā)生電荷再分配。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在所述步驟s30中，所述根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)，是指利用遞推最小二乘算法辨識(shí)超級(jí)電容器的串聯(lián)內(nèi)阻rs，根據(jù)ul-il*rs計(jì)算超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)，其中ul為超級(jí)電容器端電壓，il為超級(jí)電容器電流，il負(fù)值代表放電。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在所述步驟s40中，所述實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)在超級(jí)電容器安全工作區(qū)間內(nèi)作歸一化處理的方法為uu＝(u(t)-umin)/(umax-umin)，其中uu為歸一化后的電動(dòng)勢(shì)，umin為超級(jí)電容器最小工作電動(dòng)勢(shì)，umax為超級(jí)電容器最大工作電動(dòng)勢(shì)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在所述步驟s50中，所述利用動(dòng)態(tài)容值對(duì)步驟s40處理得到的soc初步估計(jì)值進(jìn)行修正，是指根據(jù)超級(jí)電容器實(shí)時(shí)溫度、電壓和電流數(shù)據(jù)通過查找動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)表格來獲取相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)，將獲取到的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)與實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)歸一化后的值相乘后得到的值作為最終的soc估計(jì)值。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)表格的建表方法為：對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行部分典型工況下的充放電實(shí)驗(yàn)，計(jì)算部分工況下的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)，進(jìn)而利用支持向量回歸svm方法得到全工況范圍內(nèi)超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)與溫度、電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)的計(jì)算方法包括以下步驟：

步驟51，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行部分溫度和電流工況下的充放電測(cè)試，以一定的頻率對(duì)電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，利用遞推最小二乘算法辨識(shí)等效電路模型中串聯(lián)內(nèi)阻rs、電容匹配電阻rc的瞬時(shí)值rs(t)、rc(t)；

步驟52，根據(jù)式uoc-ul(t)-il(t)rs(t)計(jì)算等效電路模型中電容c兩端實(shí)時(shí)電壓uc(t)，其中uoc為超級(jí)電容器初始開路電壓，ul(t)為超級(jí)電容器實(shí)時(shí)負(fù)載電壓，il(t)為超級(jí)電容器實(shí)時(shí)負(fù)載電流，負(fù)值代表放電；

步驟53，分別根據(jù)uc(t)/rc(t)和il(t)-irc(t)計(jì)算匹配電阻rc和電容c兩條支路流過的電流，其中uc(t)為電容c兩端實(shí)時(shí)電壓，irc(t)為匹配電阻rc上流過的電流；

步驟54，根據(jù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻至放電結(jié)束時(shí)刻超級(jí)電容器表現(xiàn)出的容值c(t)，其中t為超級(jí)電容器放電結(jié)束時(shí)刻，uc(t)為充放電結(jié)束時(shí)刻電容c兩端的電壓；

步驟55，根據(jù)式c(t)/c(0)計(jì)算動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)cu，其中c(0)為超級(jí)電容器充放電初始時(shí)刻動(dòng)態(tài)容值。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述等效電路模型包括串聯(lián)內(nèi)阻rs、電容匹配電阻rc、電容c以及電源，所述串聯(lián)內(nèi)阻rs的一端作為等效電路模型的正極端，其另一端分別與所述電容匹配電阻rc和電容c的一端連接，所述電容匹配電阻rc和電容c的另一端并接后與所述電源的正極連接，所述電源的負(fù)極作為等效電路模型的負(fù)極端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果在于：利用實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)估計(jì)超級(jí)電容器soc，既避免了安時(shí)積分法累積誤差的缺點(diǎn)，又無需開路電壓法的靜置時(shí)間，提高了估計(jì)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，考慮了超級(jí)電容器運(yùn)行過程中的電荷再分配現(xiàn)象和容值的動(dòng)態(tài)變化，可以進(jìn)一步降低soc估計(jì)誤差，且估計(jì)方法所需運(yùn)算量小，利于工程實(shí)現(xiàn)。該方法適用于不同動(dòng)態(tài)工況下的高精度soc估計(jì)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是本發(fā)明的等效電路模型的電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

參見圖1，圖中給出的是一種基于動(dòng)態(tài)容值修正的超級(jí)電容器電荷狀態(tài)估計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟s10，周期性檢測(cè)超級(jí)電容器的溫度、電壓和電流；

步驟s20，判斷超級(jí)電容器是否發(fā)生電荷再分配，判斷為是，則利用上一次的soc估計(jì)值作為新一次的soc估計(jì)值并進(jìn)入步驟s60，判斷為否，則進(jìn)入步驟s30；

步驟s30，根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)，再根據(jù)實(shí)時(shí)辨識(shí)出來的參數(shù)計(jì)算超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)；

步驟s40，將步驟s30計(jì)算得出的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)在超級(jí)電容器安全工作區(qū)間內(nèi)作歸一化處理作為soc初步估計(jì)值；

步驟s50，利用動(dòng)態(tài)容值對(duì)步驟s4處理得到的soc初步估計(jì)值進(jìn)行修正后得到最終的soc估計(jì)值；

步驟s60，輸出soc估計(jì)值。

在步驟s20中，判斷超級(jí)電容器是否發(fā)生電荷再分配的方法為：若檢測(cè)到超級(jí)電容器的電壓值大于上一次的檢測(cè)值且電流方向?yàn)榉烹?，或檢測(cè)到超級(jí)電容器的電壓值小于上一次的檢測(cè)值且電流方向?yàn)槌潆姡瑒t判定為超級(jí)電容器發(fā)生電荷再分配，否則判定為超級(jí)電容器未發(fā)生電荷再分配。

在步驟s30中，根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)，是指利用遞推最小二乘算法辨識(shí)超級(jí)電容器的串聯(lián)內(nèi)阻rs，根據(jù)ul-il*rs計(jì)算超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)，其中ul為超級(jí)電容器端電壓，il為超級(jí)電容器電流，il負(fù)值代表放電。

在步驟s40中，實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)在超級(jí)電容器安全工作區(qū)間內(nèi)作歸一化處理的方法為uu＝(u(t)-umin)/(umax-umin)，其中uu為歸一化后的電動(dòng)勢(shì)，umin為超級(jí)電容器最小工作電動(dòng)勢(shì)，umax為超級(jí)電容器最大工作電動(dòng)勢(shì)。

在步驟s50中，利用動(dòng)態(tài)容值對(duì)步驟s40處理得到的soc初步估計(jì)值進(jìn)行修正，是指根據(jù)超級(jí)電容器實(shí)時(shí)溫度、電壓和電流數(shù)據(jù)通過查找動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)表格來獲取相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)cu，將獲取到的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)cu與實(shí)時(shí)電動(dòng)勢(shì)歸一化后的值uu相乘后得到的值uu*cu作為最終的soc估計(jì)值。

動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)表格的建表方法為：對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行部分典型工況下的充放電實(shí)驗(yàn)，計(jì)算部分工況下的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)，進(jìn)而利用支持向量回歸svm方法得到全工況范圍內(nèi)超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)與溫度、電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格。

動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)的計(jì)算方法包括以下步驟：

步驟51，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行部分溫度和電流工況下的充放電測(cè)試，以一定的頻率對(duì)電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，利用遞推最小二乘算法辨識(shí)等效電路模型中串聯(lián)內(nèi)阻rs、電容匹配電阻rc的瞬時(shí)值rs(t)、rc(t)；

步驟52，根據(jù)式uoc-ul(t)-il(t)rs(t)計(jì)算等效電路模型中電容c兩端實(shí)時(shí)電壓uc(t)，其中uoc為超級(jí)電容器初始開路電壓，ul(t)為超級(jí)電容器實(shí)時(shí)負(fù)載電壓，il(t)為超級(jí)電容器實(shí)時(shí)負(fù)載電流，負(fù)值代表放電；

步驟53，分別根據(jù)uc(t)/rc(t)和il(t)-irc(t)計(jì)算匹配電阻rc和電容c兩條支路流過的電流，其中uc(t)為電容c兩端實(shí)時(shí)電壓，irc(t)為匹配電阻rc上流過的電流；

步驟54，根據(jù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻至放電結(jié)束時(shí)刻超級(jí)電容器表現(xiàn)出的容值c(t)，其中t為超級(jí)電容器放電結(jié)束時(shí)刻，uc(t)為充放電結(jié)束時(shí)刻電容c兩端的電壓；

步驟55，根據(jù)式c(t)/c(0)計(jì)算動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)cu，其中c(0)為超級(jí)電容器充放電初始時(shí)刻動(dòng)態(tài)容值。

在以上部分工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用支持向量回歸機(jī)svm，預(yù)測(cè)超級(jí)電容器全溫度、電壓和電流工作范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)容值修正系數(shù)，制成數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)于能量管理系統(tǒng)中，用于soc估計(jì)誤差的修正。

參見圖2，所等效電路模型包括串聯(lián)內(nèi)阻rs、電容匹配電阻rc、電容c以及電源，串聯(lián)內(nèi)阻rs的一端作為等效電路模型的正極端，其另一端分別與電容匹配電阻rc和電容c的一端連接，電容匹配電阻rc和電容c的另一端并接后與電源的正極連接，電源的負(fù)極作為等效電路模型的負(fù)極端。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。