孔偉偉,楊殿閣,李 兵,連小珉

(清華大學(xué)汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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2015103

汽車蓄電池管理方法的研究*

孔偉偉,楊殿閣,李 兵,連小珉

(清華大學(xué)汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

針對(duì)汽車蓄電池的使用工況特點(diǎn)，基于安時(shí)積分法、開路電壓法等經(jīng)典蓄電池狀態(tài)計(jì)算方法，提出了一種全新的綜合性電池電量計(jì)算方法，對(duì)蓄電池全工況使用過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。并根據(jù)汽車用電器特點(diǎn)，合理規(guī)劃汽車用電，防止電池過度放電，實(shí)現(xiàn)車載蓄電池的虧電保護(hù)，保證汽車常溫起動(dòng)能力。最后，通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

汽車蓄電池；狀態(tài)監(jiān)控；荷電狀態(tài)；虧電保護(hù)；起動(dòng)能力

前言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蓄電池的SOC估算方法展開了一系列的研究。文獻(xiàn)[1]中介紹了常用的蓄電池電量估算方法，如放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)計(jì)量法和開路電壓法等。放電實(shí)驗(yàn)法采用恒定電流對(duì)電池放電，電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量[2]。該方法一般被作為基準(zhǔn)測量方法。安時(shí)計(jì)量法是估算電池SOC的最常用方法[3]，開路電壓法[4]是利用鉛酸蓄電池開路電壓與SOC的線性關(guān)系獲取荷電狀態(tài)。以上幾種方法均有誤差，適用于不同的工況。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)車用蓄電池狀態(tài)估算方法進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[5]中使用一種類似于安時(shí)計(jì)量法的線性模型法估計(jì)電池SOC，其原理是基于SOC的變化量、電流、電壓和上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)SOC值建立，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最小二乘擬合的線性模型系數(shù)。文獻(xiàn)[6]中提出了使用卡爾曼濾波的蓄電池模型，可得到對(duì)SOC的最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)。文獻(xiàn)[7]中提出了基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)電池荷電狀態(tài)估測方法。

蓄電池荷電狀態(tài)估算方法很多，但大都針對(duì)電動(dòng)汽車，傳統(tǒng)燃油汽車的蓄電池使用工況與其大不相同。另外，受到實(shí)際汽車使用的控制器性能、汽車起動(dòng)型蓄電池工作工況和制造成本等因素的限制，上述方法對(duì)實(shí)時(shí)獲取車載蓄電池荷電狀態(tài)存在一定不足。

本文中針對(duì)傳統(tǒng)燃油轎車蓄電池的使用工況特點(diǎn)，結(jié)合開路電壓法、安時(shí)積分法等經(jīng)典蓄電池SOC計(jì)算方法，提出了一種適合多種工況的電池電量計(jì)算方法，對(duì)蓄電池進(jìn)行全工況實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)監(jiān)測。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車用電器特點(diǎn)，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)汽車用電，防止電池過度放電，實(shí)現(xiàn)車載蓄電池的虧電保護(hù)，保證汽車的起動(dòng)能力。

1 蓄電池狀態(tài)估算

1.1 蓄電池荷電狀態(tài)定義

蓄電池的SOC是用來反映電池的剩余容量狀況，其數(shù)值定義為電池剩余容量占電池容量的比[8]，即

SOC=QC/QI

(1)

式中：QC為電池剩余電量；QI為電池以電流I放電時(shí)具有的額定容量。

1.2 蓄電池狀態(tài)估算方法

圖1為蓄電池荷電狀態(tài)估算方法的流程圖。

如圖1所示，汽車蓄電池的初始荷電狀態(tài)未知，故首先利用開路電壓法或電池充滿條件確定電池的初始SOC。這兩種方法獲得SOC精確度較高，因此安時(shí)積分法以此精確的SOC為基準(zhǔn)，利用相對(duì)計(jì)算的思想獲取電池SOC。另外，根據(jù)此精確SOC更新總電量，清除電流累計(jì)誤差。

以下對(duì)電池充滿條件、開路電壓法、安時(shí)法、參數(shù)更新和電池老化狀態(tài)計(jì)算分別進(jìn)行介紹。

(1) 電池充滿特性

根據(jù)鉛酸蓄電池充電特性，隨著電池電量增加，充電電流逐漸減小。發(fā)電機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，提供的最大電流大于當(dāng)前用電器所需電流，蓄電池的充電電壓為發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器設(shè)定的輸出電壓。

因此蓄電池充滿的判斷條件為

(2)

式中：I為蓄電池工作電流，負(fù)值為充電電流；U為蓄電池電壓；Ufull為電池充滿時(shí)的浮充電壓；δ為電壓采集的誤差區(qū)間。蓄電池使用工況較復(fù)雜，多種因素會(huì)導(dǎo)致蓄電池充電電流和電壓波動(dòng)，因此，為防止誤判斷，只有電流電壓滿足式(2)，并持續(xù)一段時(shí)間t，方可判斷蓄電池充滿。

蓄電池充滿條件滿足時(shí)，可精確得到SOC=100%。

(2) 開路電壓法

鉛酸蓄電池的開路電壓與SOC有較好的線性關(guān)系，能較為精確地估算出電池荷電狀態(tài)。汽車鎖車靜置時(shí)處于最低功耗狀態(tài)，可近似認(rèn)為電池輸出開路。由于化學(xué)平衡過程需要一定的時(shí)間，蓄電池需要靜置至少2h才能得到較為穩(wěn)定的平衡開路電壓[9]，因此，車輛鎖車靜置至少2h后，才可利用開路電壓對(duì)蓄電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算。

蓄電池的荷電狀態(tài)受溫度的影響，開路電壓法計(jì)算SOC可表示為

SOC=A1(UOCV-kT(T-T0))+A2

(3)

式中：UOCV為蓄電池的開路電壓；T為蓄電池溫度；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度，T0=20℃；kT為溫度系數(shù)，取0.010 5[10]；A1、A2表示溫度T0時(shí)，開路電壓與SOC的線性擬合參數(shù)，通過電池放電實(shí)驗(yàn)標(biāo)定為A1=0.877 7，A2=-10.380 8。

(3) 安時(shí)法

安時(shí)積分法適用于蓄電池全生命周期所有使用工況。本文中采用相對(duì)計(jì)算的思想，以電池充滿條件和開路電壓法獲得的較精確SOC為基準(zhǔn)，結(jié)合Peukert-安時(shí)積分法計(jì)算SOC，即

(4)

(5)

蓄電池的放電能力與放電電流的大小有關(guān)，放電電流大時(shí)，可放出的總電量遠(yuǎn)小于小電流放電時(shí)的總放電量。這種關(guān)系可以由Peukert特征系數(shù)表示[11]，經(jīng)過Peukert特征系數(shù)修正后的放電時(shí)的電量可表示為

(6)

式中：i為蓄電池放電電流；In為10h放電率對(duì)應(yīng)的額定電流；n為Peukert系數(shù)，通常為1.05～1.3[11]，通過電池放電實(shí)驗(yàn)標(biāo)定為1.14；Δt為計(jì)算時(shí)間間隔。

蓄電池充電時(shí)的能量損耗利用充電效率η修正，充電時(shí)的電量為

(7)

(4) 參數(shù)更新

隨著使用蓄電池，實(shí)際可用的總電量Qm在不斷減少。實(shí)際可用總電量的更新僅在電池充滿和開路電壓法下進(jìn)行，即

(8)

|SOC-SOClatest|>ΔSOC

(9)

本文計(jì)算時(shí)，選定ΔSOC=10%。

(5) 電池老化狀態(tài)計(jì)算

蓄電池老化狀態(tài)SOH(state of health)定義為

SOH=Qm/Qa

(10)

式中：Qa為蓄電池的額定總電量。

2 整車電器用電規(guī)劃和虧電保護(hù)

2.1 汽車用電器分類

根據(jù)用電器對(duì)汽車行駛安全的影響性和重要性，整車電器可劃分為以下4類。

(1) 娛樂性用電器 對(duì)汽車行駛安全并無影響，主要服務(wù)于駕駛員或乘車人員的休閑娛樂需求，如車內(nèi)冰箱、座椅按摩和座椅加熱等。

(2) 舒適性用電器 滿足車內(nèi)人員基本舒適性需求，對(duì)汽車行駛并無太大影響，如空調(diào)、音響、點(diǎn)煙器、天窗和備用電源等。

(3) 輔助行駛用電器 輔助駕駛員駕駛的用電設(shè)施，在一定程度上影響安全性和可靠性，如車窗電機(jī)、車前大燈和車內(nèi)照明系統(tǒng)等。

(4) 安全行駛電器 保證汽車行駛的基礎(chǔ)設(shè)施，與汽車行駛安全息息相關(guān)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、ABS系統(tǒng)和安全氣囊等。

2.2 蓄電池的狀態(tài)分區(qū)

汽車用鉛酸蓄電池的狀態(tài)平面如圖2所示[10]。

該狀態(tài)平面圖由蓄電池健康狀態(tài)SOH和SOC組成。區(qū)域1中SOH<60%，蓄電池已老化，需更換。在此課題研究中，僅考慮蓄電池正常工作區(qū)域，即區(qū)域2～6。其中，區(qū)域2不需要采取虧電保護(hù)措施，區(qū)域6為蓄電池的最低起動(dòng)電量保留區(qū)域，區(qū)域3～5為電量過渡區(qū)域。

根據(jù)圖2，對(duì)蓄電池進(jìn)行狀態(tài)分區(qū)，如圖3所示。根據(jù)電池SOC將蓄電池狀態(tài)分為安全區(qū)、保護(hù)區(qū)、警戒區(qū)、虧電區(qū)，以及最低起動(dòng)電量保留區(qū)。安全區(qū)(SOCs

2.3 蓄電池虧電保護(hù)機(jī)制

為防止蓄電池過度放電，保證汽車起動(dòng)能力，整車用電規(guī)劃采用電池虧電保護(hù)機(jī)制。

如圖4所示，一般情況下蓄電池處于安全區(qū)，此時(shí)汽車正常運(yùn)行，未開啟虧電保護(hù)機(jī)制。蓄電池的SOC低于安全區(qū)下限閾值SOCs時(shí)，根據(jù)汽車運(yùn)行狀態(tài)分別實(shí)行行駛虧電保護(hù)，怠速虧電保護(hù)和靜置虧電保護(hù)。汽車行駛和怠速時(shí)，當(dāng)電池SOC>SOCs，虧電保護(hù)機(jī)制解除。汽車靜置時(shí)，打開發(fā)動(dòng)機(jī)，即解除虧電保護(hù)機(jī)制。

圖5為汽車行駛中虧電保護(hù)機(jī)制。當(dāng)蓄電池處于保護(hù)區(qū)時(shí)，實(shí)行用電保護(hù)等級(jí)1，即指關(guān)閉汽車娛樂性用電器。通常情況下，此時(shí)蓄電池應(yīng)停止放電，并由發(fā)電機(jī)向電池充電；若發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電池電量繼續(xù)減少低于保護(hù)區(qū)下限閾值SOCp時(shí)，則實(shí)行用電保護(hù)等級(jí)2，即關(guān)閉娛樂性電器和舒適性用電器，同時(shí)發(fā)出報(bào)警提示駕駛員查看發(fā)電機(jī)故障。

圖6為汽車怠速時(shí)虧電保護(hù)機(jī)制。汽車怠速時(shí)，電池放電至保護(hù)區(qū)，多數(shù)由于怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，用電負(fù)載過大超出發(fā)電機(jī)負(fù)荷。因此，首先提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，若電池繼續(xù)放電或某些汽車無法實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)，實(shí)行用電保護(hù)等級(jí)1；若發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障或者電池電量減少低于保護(hù)區(qū)下限閾值SOCp時(shí)，則實(shí)行用電保護(hù)等級(jí)2。

汽車處于鎖車靜置狀態(tài)時(shí)的虧電保護(hù)機(jī)制如圖7所示。當(dāng)蓄電池的SOC低于安全區(qū)下限閾值SOCs時(shí)，實(shí)行用電保護(hù)等級(jí)3，即關(guān)閉所有娛樂性和舒適性用電器(僅指在鎖車時(shí)可以使用的電器)；若蓄電池繼續(xù)放電至SOC

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述方法在試驗(yàn)車上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。該試驗(yàn)車為一種以車載總線為基礎(chǔ)的全分布式智能電器系統(tǒng)[12]，即全車所有電器均實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和智能化，每個(gè)電器以獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的形式連入通信網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)控制指令進(jìn)行工作控制。

在蓄電池負(fù)極上加裝傳感器獲取電池的工作電壓、電流和溫度，通過LIN總線發(fā)送至電池管理控制器，該控制器為全分布式智能電器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可通過CAN網(wǎng)絡(luò)獲取汽車狀態(tài)信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速等。電池管理控制器按照上述方法進(jìn)行蓄電池狀態(tài)估算，向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送蓄電池狀態(tài)信息，以及虧電保護(hù)控制信息，以實(shí)現(xiàn)整車電器用電規(guī)劃和虧電保護(hù)。

3.1 蓄電池的狀態(tài)估算驗(yàn)證

將蓄電池從充滿狀態(tài)放電至SOC達(dá)到設(shè)定的SOC值后關(guān)閉系統(tǒng)，將此蓄電池靜置2h以上，隨后根據(jù)恒流放電試驗(yàn)獲得蓄電池的真實(shí)SOC。該設(shè)定的SOC即是利用本文中估算方法計(jì)算得到的SOC，與真實(shí)的SOC值比較判斷SOC估算方法的合理性。

將蓄電池從充滿狀態(tài)放電至幾個(gè)特定的SOC，試驗(yàn)過程中蓄電池SOC、蓄電池輸出電流(放電電流為正)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖8～圖11所示。

因此，利用估算方法計(jì)算獲得的SOC與放電試驗(yàn)獲得的真實(shí)SOC如表1所示。

表1 估算SOC與真實(shí)SOC比較 %

如表1所示，蓄電池的SOC估算值與真實(shí)值之間的偏差在±5%以內(nèi)，可用于整車用電規(guī)劃和虧電保護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用的蓄電池估算方法合理、有效。

3.2 蓄電池虧電保護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證

將蓄電池充滿后，在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉情況下打開所有可用電器，試驗(yàn)過程中虧電保護(hù)等級(jí)變化、電池SOC和放電電流曲線如圖12所示。

如圖12所示，根據(jù)電池的不同荷電狀態(tài)，對(duì)用電器實(shí)行不同的用電保護(hù)等級(jí)，直至最后進(jìn)入最低起動(dòng)電量保護(hù)等級(jí)，整車進(jìn)入最低功耗狀態(tài)。在試驗(yàn)車自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)后的第7天，可順利起動(dòng)，喚醒所有電器。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電池虧電保護(hù)機(jī)制的可行性和有效性，保證了汽車的起動(dòng)能力。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)燃油轎車蓄電池的使用工況特點(diǎn)，提出了一種適合多種工況的電池電量計(jì)算方法，有效地對(duì)蓄電池進(jìn)行全工況實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)監(jiān)測。此外，對(duì)整車電器進(jìn)行分類，制定了不同工況下虧電保

護(hù)機(jī)制，有效防止電池過度放電，實(shí)現(xiàn)蓄電池的虧電保護(hù)，以保證汽車的起動(dòng)能力。

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A Research on the Management Method of Automotive Battery

Kong Weiwei,Yang Diange, Li Bing & Lian Xiaomin

DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

In view of the working features of battery, a novel comprehensive calculation method for the state of charge (SOC) of battery is proposed based on some typical SOC algorithms such as ampere-hour integration and open circuit voltage method, so as to monitor the whole process of battery operation at real time. Furthermore, the electricity use in vehicle is properly planned according to the features of vehicle appliances to prevent battery from over-discharging, achieve insufficient voltage protection of vehicle battery and ensure the starting capability of vehicle at normal temperature. Finally, the results of real vehicle tests verify the feasibility and effectiveness of the method proposed.

automotive battery; state monitoring; state of charge; insufficient voltage protection; starting capability

*國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111901)資助。

原稿收到日期為2013年4月15日，修改稿收到日期為2013年12月2日。