那紅軍 王順利 蔣聰 李建超
摘要:目前,國(guó)家正在大力推廣純電動(dòng)汽車,準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)(SOC)估算是動(dòng)力鋰電池可靠使用的關(guān)鍵性問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)三元鋰電池進(jìn)行混合動(dòng)力脈沖能力特性(HPPC)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行參數(shù)辨識(shí),建立Thevenin等效電路模型以表征鋰電池工作特性。運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)算法對(duì)于荷電狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估算,在BBDST工況下驗(yàn)證了估算效果。結(jié)果表明,在BBDST工況下運(yùn)用EKF算法可以修正SOC估算初始誤差,最大誤差低于1.5%,全過(guò)程平均誤差為0.37%,為動(dòng)力電池的可靠安全使用提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:動(dòng)力鋰電池;荷電狀態(tài)估算;Thevenin模型;EKF算法;BBDST工況
中圖分類號(hào):TM92 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
目前我國(guó)正在推動(dòng)新能源汽車技術(shù)發(fā)展,全面推廣先進(jìn)純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車,電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵?,F(xiàn)如今電動(dòng)車輛可選擇的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、燃料電池和鋰電池等。幾種電池比較,因鋰電池具有體積小、工作電壓高、重量輕、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn),其已成為電動(dòng)車輛近期重點(diǎn)發(fā)展的動(dòng)力電源[1]。但鋰電池的安全使用仍是需要面對(duì)的問(wèn)題[2]。動(dòng)力鋰電池的安全可靠使用需要準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)估算。在國(guó)內(nèi)外有大量科研工作人員對(duì)鋰電池進(jìn)行了研究。蘇杰等[3]基于PNGV模型探索了鈷酸鋰電池的內(nèi)阻特性。錢能等[4]對(duì)改進(jìn)PNGV模型進(jìn)行了研究。Lai Xin等[5]比較了不同階數(shù)的鋰電池等效電路模型對(duì)荷電狀態(tài)估算效果的影響。Wang Shun-Li等[6]優(yōu)化了開(kāi)路電壓與SOC的關(guān)系,用于航空鋰離子電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
1 數(shù)學(xué)理論分析
1.1 鋰電池Thevenin模型
常用鋰電池等效模型主要有純數(shù)學(xué)模型、電化學(xué)模型、電路模型。由于等效電路模型具有計(jì)算簡(jiǎn)單、物理意義明確的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛。電池的內(nèi)阻和極化效應(yīng)對(duì)電池有較大影響,本次采用的Thevenin等效電路模型可以表征鋰電池的歐姆效應(yīng)和極化效應(yīng)。其具體等效電路如圖1所示。
2 實(shí)驗(yàn)分析
2.1 HPPC測(cè)試
所使用電池測(cè)試設(shè)備為亞科源BTS750-200-100-4,功率限值750 W,電壓限值200 V,電流限制100 A,4個(gè)測(cè)試通道。完整HPPC實(shí)驗(yàn)流程如下:先充滿電,擱置40 min,以50 A的電流進(jìn)行放電10 s,再擱置40 s,以50 A電流充電10 s,再擱置,此次HPPC實(shí)驗(yàn)完成,放電至下一SOC值為90%時(shí)進(jìn)行HPPC實(shí)驗(yàn),直至SOC=0.1為止。完整HPPC測(cè)試過(guò)程電流電壓數(shù)據(jù)如圖3所示。
利用1.2所闡述的模型參數(shù)辨識(shí)方法,結(jié)合HPPC測(cè)試數(shù)據(jù)??梢缘玫礁鱾€(gè)參數(shù)值如表1所示。
由于放電電流較大,在放電末期電壓下降幅度增大,達(dá)到截止電壓2.75 V,未在SOC為10%進(jìn)行HPPC測(cè)試。由表1中數(shù)據(jù)可以看出,中前期歐姆內(nèi)阻、極化電阻變化不明顯。隨著SOC值降低到20%以下,歐姆內(nèi)阻、極化電阻顯著增大,而極化電容減小。而UOCV全程隨SOC下降而下降。
2.2 仿真分析
通過(guò)在Matlab/Simulink中建立仿真系統(tǒng)驗(yàn)證EKF算法SOC估算效果。導(dǎo)入根據(jù)北京公交動(dòng)態(tài)測(cè)試工況(beijing bus dynamic stress Test, BBDST)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到電流、電壓數(shù)據(jù)。如圖4所示。
仿真主要部分是編寫EKF算法程序的s-function模塊,2個(gè)signal builder模塊為電流、電壓。根據(jù)模型得到的R0(SOC)、Rp(SOC)、Cp(SOC)、OCV-SOC等4個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)模塊。得到的Simulink仿真模型如圖4所示。輸出的SOC及誤差如圖5和圖6所示。
SOC1是真實(shí)SOC值,SOC2是運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼算法進(jìn)行的SOC估算值。這里是從充滿電開(kāi)始放電,即從SOC=100%開(kāi)始,而為了驗(yàn)證EKF算法糾正初始值能力,將其SOC初值設(shè)為75%,初始誤差25%。在短暫的迭代以后,SOC2成功跟上SOC1的值。其誤差如圖6所示。
由圖6中的SOC估算誤差曲線可以看出估算誤差在很短的時(shí)間就低于1.5%。將誤差數(shù)據(jù)取絕對(duì)值再求取平均值,得到平均估算誤差為0.37%。
3 ? 結(jié)論
擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)于荷電狀態(tài)估算效果良好,在BBDST工況下運(yùn)用EKF算法可以修正SOC估算初始誤差,使其最大誤差低于1.5%,全過(guò)程平均誤差為0.37%。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖九梅.電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的性能特點(diǎn)及其發(fā)展[J].電源世界,2018,21(1):51-56.
[2] 張永龍,夏會(huì)玲,陳少杰,等.淺析固態(tài)鋰離子電池安全性[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2018,7(6):994-1002.
[3] 蘇杰,王順利,王露,等.基于PNGV電路模型的新能源汽車鈷酸鋰電池內(nèi)阻研究[J].自動(dòng)化與儀表,2018,38(10):11-14,32.
[4] 錢能,嚴(yán)運(yùn)兵,李文杰,等.磷酸鐵鋰離子電池Thevenin等效模型的改進(jìn)[J].電池,2018,48(4):257-261.
[5] LAN X,ZHENG Y J,SUN T. A comparative study of different equivalent circuit models for estimating state-of-charge of lithium-ion batteries[J]. Electrochimica acta,2018,259:566-577.
[6] WANG S L, CARLOS F, ZOU C Y, et al. Open circuit voltage and state of charge relationship functional optimization for the working state monitoring of the aerial lithium-ion battery pack[J]. Journal of cleaner production,2018(10):1090-1104.