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純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)五部曲之二：?jiǎn)误w電池建模研究

2022-03-04 19:09:05·  來(lái)源：汽車電子設(shè)計(jì)  
　
第二篇 單體電池建模研究純電動(dòng)汽車的主要能量來(lái)源為動(dòng)力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動(dòng)力電
第二篇 單體電池建模研究
純電動(dòng)汽車的主要能量來(lái)源為動(dòng)力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動(dòng)力電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機(jī)的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，并且延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運(yùn)行狀態(tài)，有效預(yù)防電池組自燃，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警，為保障安全贏得時(shí)間。
筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。計(jì)劃分為5個(gè)篇章來(lái)整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數(shù)。
圖1 電池管理系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)
單體電池模型用以模擬電池動(dòng)力學(xué)特性動(dòng)態(tài)電池模型，是設(shè)計(jì)高效可靠的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）的基礎(chǔ)。鑒于等效電路模型簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以及狀態(tài)空間方程易于求取的優(yōu)點(diǎn)，因此非常廣泛的應(yīng)用于純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究領(lǐng)域中。
不同單體電池模型對(duì)比
建立單體電池等效電路模型，將模型與電池辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行配比，同時(shí)利用辨識(shí)工具完成參數(shù)識(shí)別，分析電池端電壓在不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并逐步改進(jìn)電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態(tài)估計(jì)（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎(chǔ)。
圖2 不同單體電池模型對(duì)比
通用電池參數(shù)確定
參數(shù)確定采用三種不同的電流激勵(lì)，第一個(gè)是重復(fù)的放電脈沖工步直到電池放電結(jié)束，第二個(gè)是重復(fù)的 HPPC 脈沖工步直到電池放電結(jié)束，第三個(gè)是改進(jìn)的 HPPC 脈沖工步，在單個(gè)工步中增加不同倍率電流激勵(lì)，重復(fù)該脈沖工步直到電池放電結(jié)束。
模型參數(shù)確認(rèn)不能簡(jiǎn)單的與辨識(shí)工況進(jìn)行對(duì)比，還需要復(fù)雜的運(yùn)行工況來(lái)驗(yàn)證辨識(shí)參數(shù)的精度和可靠性。復(fù)雜的運(yùn)行工況包括DST工況、NEDC工況和UDDS工況，使用這三種不同工況對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型以及參數(shù)辨識(shí)的可靠性。
參數(shù)的確定方法：通常采用Simulink庫(kù)里的 Simscape 中對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理元件模塊，搭建真實(shí)硬件系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，類似與HIL（Hardware in loop），輸入信息為動(dòng)力電池試驗(yàn)電流，試驗(yàn)電壓，SOC數(shù)據(jù)，同時(shí)每組輸入10℃、25℃、40℃三種不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用實(shí)驗(yàn)電流控制電流源對(duì)電池模型進(jìn)行充放電激勵(lì)，利用電壓傳感器采集電池模型的端電壓與電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。
圖3 通用電池參數(shù)確定方法
通用電池參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)
如圖4是單個(gè)HPPC脈沖響應(yīng)曲線。
圖4 電池HPPC脈沖響應(yīng)圖
根據(jù)電池模型的響應(yīng)曲線我們可以知道，電池模型在大電流下、在充放電末期容易產(chǎn)生較大誤差，對(duì)在相同 SOC 時(shí)刻，同樣RC參數(shù)的值很難同時(shí)滿足不同倍率充放電曲線擬合，且電池內(nèi)阻在充放電時(shí)也會(huì)有差異，因此建議在調(diào)整SOC索引查找時(shí)，0%-10%區(qū)間SOC間隔 0.01，10%-20%、90%-100%區(qū)間SOC間隔 0.05，其他區(qū)間SOC間隔 0.1。
HPPC試驗(yàn)過(guò)程時(shí)間大概83000s，每1s都會(huì)記錄電壓變化。HPPC中每5% SOC變化，需要靜置1小時(shí)，可以考慮刪除1小時(shí)的數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
總結(jié)：建立單體電芯模型時(shí)，需要選擇準(zhǔn)確的參數(shù)評(píng)估模型，我們通過(guò)對(duì)比不同辨識(shí)數(shù)據(jù)對(duì)電池模型辨識(shí)精度的影響，在考慮精度與復(fù)雜度的情況下，分析二階RC模型的外特性曲線，可以為后續(xù)的工程技術(shù)人員提出兩點(diǎn)優(yōu)化建議：
① 合理設(shè)置SOC的間隔，尤其在SOC較低和較高的區(qū)間內(nèi)。
② 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)量提高準(zhǔn)確率。
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