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基于實(shí)車工況的電池管理系統(tǒng)SOC精度評(píng)測(cè)方法研究

2020-04-08 19:18:08·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
作者單位：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心引言動(dòng)力電池一般具有容量較大、串并聯(lián)數(shù)量較多，且于安全性、動(dòng)力性、可靠性、壽命等都有極高的要求。電
作者單位：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心
 
引言
動(dòng)力電池一般具有容量較大、串并聯(lián)數(shù)量較多，且于安全性、動(dòng)力性、可靠性、壽命等都有極高的要求。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）作為新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅需要精確采集并運(yùn)算電池狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前的電壓、電流、溫度等狀態(tài)綜合決策并實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷，確保動(dòng)力電池工作在電壓及溫度的安全區(qū)域，同時(shí)它還需要適時(shí)均衡、參與熱管理等盡量保證電池循環(huán)耐久性能。另外，作為連接電池系統(tǒng)、整車系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的紐帶，它需要將電池系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)與整車控制器及其他關(guān)聯(lián)的電子控制單元進(jìn)行通信與信息交換，完成各高壓系統(tǒng)的工作協(xié)同。
荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）作為表征電池剩余容量的一個(gè)狀態(tài)量，其精確估算又是電池管理系統(tǒng)中最核心的技術(shù)之一，也是控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量平衡的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確估算不僅可以有效預(yù)防過充和過放同時(shí)也是電池合理使用和有效維護(hù)的主要依據(jù)。電池管理系統(tǒng)SOC的估算精度對(duì)于新能源車輛的安全性與經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義，因此，電池管理系統(tǒng)SOC估算精度的評(píng)測(cè)方法就顯得尤為重要，但是目前電池SOC無法通過直接測(cè)量，且電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中受到多種因素的綜合影響因此其精確估算是實(shí)際應(yīng)用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
1 SOC估算方法簡介
目前，各電池管理系統(tǒng)廠家、電池系統(tǒng)廠商甚至部分整車企業(yè)均已開始研究SOC的精確估算且較為成熟，基本的做法包括安時(shí)積分法、開路電壓法、基于電池模型的開路電壓法，或者是將幾種方法進(jìn)行融合并加入一定策略的修正、卡爾曼濾波等。還有一些基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯算法等提出，這些研究通常假定電池系統(tǒng)工作環(huán)境穩(wěn)定，使用不同倍率的充放電實(shí)驗(yàn)獲得了模型參數(shù)與SOC的關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。
總體來說，在工程運(yùn)用上，安時(shí)積分法是當(dāng)前簡單易行且應(yīng)用范圍比較廣泛的估算方法，在電池系統(tǒng)充放電的過程當(dāng)中通過對(duì)充放電電流與時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，從而較為準(zhǔn)確地對(duì)SOC精度進(jìn)行估算，但由于該方法對(duì)電流檢測(cè)精度依賴較高，但是該算法的不足之處：
①由于電流測(cè)量存在誤差，所以該方法長時(shí)間運(yùn)行后容易累計(jì)誤差逐漸增大；
②且該方法無法給出初始SOC值，單純使用安時(shí)積分法無法滿足SOC的準(zhǔn)確預(yù)估。
而開路電壓法在實(shí)際運(yùn)用中電池系統(tǒng)在充分靜置后的開路電壓（Open Circuit Voltage，CV）與電池穩(wěn)態(tài)相當(dāng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以準(zhǔn)確估計(jì)某一靜態(tài)的SOC，不足之處在于：
①要獲取當(dāng)前的電壓狀態(tài)，需要將電池系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間的靜置；
②電池系統(tǒng)在充放電過程中電壓波動(dòng)較大，不適合用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地估算電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中的SOC。
因此，許多廠家采用上述兩種方法相結(jié)合的方式來進(jìn)行SOC估算，電池系統(tǒng)的初始SOC可以通過SOC-0CV曲線關(guān)系來確定，再通過采用高精度的電流傳感器減小累計(jì)誤差，實(shí)時(shí)地計(jì)算動(dòng)態(tài)情況下的SOC。
2 SOC估算精度評(píng)測(cè)方法
一般用于評(píng)測(cè)SOC估算精度較為可靠的方法是在外加防止過放電及故障保護(hù)的狀態(tài)下，從滿電狀態(tài)開始進(jìn)行放電測(cè)試，一般使用電池系統(tǒng)連接充放電機(jī)，以一定的放電倍率進(jìn)行放電。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是：
①一定的放電倍率工況過于簡單，忽略了持續(xù)大電流放電、循環(huán)充放電等較為車輛行駛過程中實(shí)際工況的復(fù)雜性和惡劣性，不能完全模擬電池系統(tǒng)在實(shí)際車輛上運(yùn)行的狀態(tài)。
②電池系統(tǒng)的充放電狀態(tài)均在充放電機(jī)的控制下實(shí)施，未充分發(fā)揮BMS作為系統(tǒng)控制單元的作用，未能最大限度地模擬實(shí)車工況走行過程中與電子控制單元交互的情況。
另外，溫度對(duì)于鋰電池性能及安全性有著非常重要的影響。通常情況下，動(dòng)力電池的高低溫性能與常溫相比會(huì)有所下降，因此溫度是SOC估算中不可回避的一個(gè)關(guān)鍵因素，直接影響著鋰離子電池運(yùn)行工況下的容量和材料活性。因此，適當(dāng)改變溫度，分別在低溫、常溫、高溫情況下對(duì)不同工況進(jìn)行驗(yàn)證可以更全面得考察SOC估算精度。
目前，SOC估算精度的主要的驗(yàn)證方法是先將帶BMS的電池系統(tǒng)進(jìn)行足夠長時(shí)間的靜置，按照既定的工況測(cè)定可用容量后，再按照既定的工況確認(rèn)SOC分別接近80%和30%情況下的誤差修正速度和精度。這種方法的不足之處在于：
一方面未考慮整車行駛的實(shí)際復(fù)雜工況；
另一方面，只考察確認(rèn)了兩個(gè)SOC點(diǎn)，尤其缺少對(duì)于電量比較低的時(shí)候的精度確認(rèn)。
因此，本文提出一種綜合考慮實(shí)車工況中行駛的復(fù)雜性和溫度對(duì)電池性能的影響的一種評(píng)測(cè)方法，對(duì)新能源汽車在不同實(shí)車工況及不同溫度下進(jìn)行從100%到0%SOC范圍內(nèi)的估算精度進(jìn)行評(píng)測(cè)，為將來優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的SOC估算驗(yàn)證方法提供一定的理論基礎(chǔ)。
3 基于不同溫度下實(shí)車工況SOC估算精度評(píng)測(cè)方法
3.1 實(shí)車工況法
電動(dòng)汽車在實(shí)際行駛工況中時(shí)常伴有頻繁加速，制動(dòng)等復(fù)雜工況，導(dǎo)致動(dòng)力電池工作環(huán)境惡劣，電池系統(tǒng)SOC變化較大。精確的電池SOC預(yù)估可以防止電池因過充電或過放電造成的不可逆損失。為明確行駛工況對(duì)電動(dòng)汽車SOC的預(yù)估精度的影響，本文從實(shí)車走行過程中通過采集CAN數(shù)據(jù)選取了電動(dòng)汽車典型的工況包括典型城市工況、高速工況、爬坡工況三種，并從這些工況中提出電池各性能參數(shù)，將各工況轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功率數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建充放電過程均受控于BMS的電池包實(shí)驗(yàn)臺(tái)架充放電機(jī)導(dǎo)人并在不同的溫度下，對(duì)電池包從滿電狀態(tài)進(jìn)行放電至截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)合安時(shí)積分法和開路電壓法，全SOC范圍內(nèi)對(duì)SOC估算精度進(jìn)行驗(yàn)證。其中：
①城市工況：是一條具有代表性的上下班工況，該工況最高速度為91.2km/h，平均速度為31.4km/h，具備頻繁的加減速過程，可考察電池系統(tǒng)循環(huán)充放電的惡劣情況。
②高速工況和爬坡工況：工況負(fù)荷變化范圍大，需要電池系統(tǒng)持續(xù)較大電流輸出，電壓波動(dòng)較大，同時(shí)可以考察電池系統(tǒng)溫度升高對(duì)于SOC估算精度的影響。
將實(shí)車工況用于電池管理系統(tǒng)SOC估算精度的測(cè)評(píng)，與現(xiàn)行使用的工況相比，以上三種實(shí)車工況更接近于電動(dòng)汽車的行駛工況；實(shí)車工況下頻繁的加減速等導(dǎo)致電流變化劇烈，對(duì)BMS SOC的計(jì)算提出了更高的要求，驗(yàn)證也就更加具有實(shí)際意義。圖1圖6是三種典型實(shí)車工況及相應(yīng)的電池輸出功率特性由線圖，功率為負(fù)時(shí)，代表電池系統(tǒng)處于加速、爬坡等輸出狀態(tài)，功率為正時(shí)代表電池系統(tǒng)處于能量回收狀態(tài)。
 
 
 
3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)成具體見圖7。
 
3.3 SOC估算精度計(jì)算方法
定義t為任意時(shí)刻，放電總時(shí)間為T，Qt為0至任意時(shí)刻t的累積放電量，Q為累積放電容量，Q補(bǔ)償為根據(jù)補(bǔ)償后的累積放電容量，Qt補(bǔ)償為任意時(shí)刻補(bǔ)償后的累積放電量，SOCt為某一時(shí)刻真實(shí)值，SOCBMS為EMS實(shí)時(shí)估算值，SOCStart為長時(shí)間靜置后使用SOC-0CV修正后的的起始荷電狀態(tài)，SOCEnd為使用SOC-0CV修正后的終止荷電狀態(tài)。
3.3.1 基于SOC-0CV的SOC修正方法
由于充放電過程中電壓動(dòng)態(tài)變化，SOC值隨電壓變化明顯變化，通過長時(shí)間靜置可對(duì)SOC進(jìn)行修正。假定某電池SOC-0CV有表1中所示關(guān)系：
 
根據(jù)上表SOC-0CV關(guān)系曲線圖參照下記公式可計(jì)算某一長時(shí)間靜置后的電壓飛相應(yīng)的SOCx:
 
用上述方法計(jì)算可得電池系統(tǒng)的真實(shí)荷電狀態(tài)SQCStart，SQCEnd。
3.3.2 實(shí)際容量的修正方法
不同工況下由于電池受保護(hù)控制策略的影響，實(shí)際可放電容量偏小，如圖8所示：
 
因此計(jì)算累積放電量時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：
 
3.3.3 SOC真實(shí)值的計(jì)算方法
1）累計(jì)放電容量公式
0至任意時(shí)刻t的累積放電量Qt為
 
0到T時(shí)間內(nèi)的實(shí)際總放電量QT為
 
式中I-電池電流。
2）根據(jù)上述理論可知任一時(shí)刻的放電量也需要進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：
 
3）任一時(shí)刻的SOC真值計(jì)算公式為：
 
3.3.4 SOC估算精度誤差計(jì)算方法
SOC估算誤差的計(jì)算公式為
 
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備
本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為國內(nèi)某廠家的結(jié)酸鋰電池和電池管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括12V低壓穩(wěn)壓電源、繼電器控制開關(guān)、可編程充放電機(jī)和溫度可調(diào)的溫箱。電池的滿充電狀態(tài)定義為在慢充模式下充電，由電池管理系統(tǒng)主動(dòng)停止充電即為充滿；電池截止?fàn)顟B(tài)定義為在各個(gè)不同工況下，由電池管理系統(tǒng)主動(dòng)請(qǐng)求停止放電即為截止?fàn)顟B(tài)。
4.2 實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)施本實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先獲取實(shí)車工況并將其轉(zhuǎn)換成充放電機(jī)可導(dǎo)人執(zhí)行的相應(yīng)格式。電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建后，依次完成不同溫度與不同路況的組合工況的驗(yàn)證。見圖9。
 
4.3 實(shí)驗(yàn)工況矩陣 
為了綜合考察不同工況以及溫度的影響，設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況矩陣如表2所示：
 
4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫工況下SOC估算精度較差，以城市工況為例，10℃條件下誤差范圍達(dá)到4.2%，常溫和高溫情況下估算精度較好，最低為1.0%。各個(gè)工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖10所示：
 
5 結(jié)論
本文提出了一種利用電動(dòng)汽車實(shí)際行駛工況，考慮瞬時(shí)大電流、循環(huán)充放電等影響的一種動(dòng)力電池SOC的估算精度評(píng)測(cè)方法，具有較好的工程實(shí)踐與應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于實(shí)車工況的SOC估算精度評(píng)測(cè)方法對(duì)SOC估算精度的考察更為全面，為整車企業(yè)或電池系統(tǒng)企業(yè)針對(duì)SOC估算精度的評(píng)測(cè)提供了新的參考依據(jù)。
 
 
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