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        電動汽車SOC估算方法的設(shè)計策略研究簡述

        2019-10-21 10:16:52葉明陳賓朱紅奚杰曾祥兵
        時代汽車 2019年1期

        葉明 陳賓 朱紅 奚杰 曾祥兵

        摘 要:SOC是電動汽車運行過程中非常重要的參數(shù)。不僅可以給終端使用者提供產(chǎn)品續(xù)航工作的里程參考;也可以作為電池充放電保護設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。人們利用電池的電壓、內(nèi)阻、充放電時間以及容量等參數(shù)之間的變化規(guī)律推算出電池的工作狀態(tài)。為了更好的監(jiān)控電池的工作狀態(tài),電池剩余容量SOC成為表征電池工作狀態(tài)的重要指標(biāo)。

        關(guān)鍵詞:SOC;不同溫度放電容量;OCV;安時積分

        1 引言

        近年來,我國的新能源汽車飛速發(fā)展,動力電池作為電動汽車的核心。對于其技術(shù)要求的提高也日益增加。而動力電池的SOC顯示則是動力電池管理工作的關(guān)鍵內(nèi)容。電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)涉及電流大小、反應(yīng)時間、電壓、溫度以及內(nèi)阻等多種因素的影響,是一種非常復(fù)雜的非線性關(guān)系[1]。因此準(zhǔn)確的SOC估計已成為電動汽車發(fā)展中亟待解決的問題。本文主要從電池參數(shù)的選取到軟件策略的優(yōu)化,提供了一種高效、準(zhǔn)確的安時積分法用于電動汽車的SOC估算。

        2 實驗設(shè)計

        2.1 實驗對象

        三元鋰離子電芯、電池系統(tǒng)。電芯容量為100Ah,充電最高電壓保護值為4.25V,充電最低電壓保護值為2.8V;電池系統(tǒng)工作溫度:-20~55℃。

        實驗設(shè)備:高低溫交變濕熱試驗箱(漢克),型號:ATH-F2-80;安捷倫五位半萬用表;型號:TW48080332;

        迅湃充放電設(shè)備,型號:EVBT-500-300-2ISO。

        2.2 實驗方法

        2.2.1 可用容量測試

        隨機選取兩支量產(chǎn)電芯測試不同溫度不同倍率下放電容量(-20~55℃,每5℃為間隔選取溫度點進行測試;0.5C/0.33C/1C)

        2.2.2 不同溫度SOC~OCV測試:

        ①常溫0.33C CC CV to 4.25V;指定溫度擱置3h;

        ②0.33C放電至3.0V,0.2C放電至2.8V,得放電容量C1;

        ③C1 20等分,指定溫度下0.33C放電0.05C1,靜置2h,得該溫度該SOC下OCV;

        2.2.3 電池系統(tǒng)SOC精度估算

        參考行標(biāo)《QCT 897-2011 電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》進行試驗

        3 結(jié)果與分析

        3.1 可用容量測試

        由圖1可知,電芯在下線時,容量存在一定的分布。雖然我們隨機選取兩支電芯進行容量測試,取平均值作為可用容量。但是很難保證選取的樣品代表所有出貨批次的特性,且電池在循環(huán)過程中會存在不可逆的容量衰減,這樣在循環(huán)后期SOC會越來越不準(zhǔn),終端客戶在使用后期會感覺續(xù)航虛標(biāo)(SOC跳變等現(xiàn)象)。

        Ah積分法是最常用的SOC估計方法。如果充放電起始狀態(tài)記為SOC0,那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC為SOC=SOC0-∫t0ηIDτ其中,Cn為電池額定容量,I為電池電量,η為充放電效率。

        由于可用容量作為安時積分的分母,分母變大可能出現(xiàn)續(xù)航跳變,分母變小影響較小。且我們也是通過測電芯的容量來替代pack的容量。所以為了減小誤差及提高用戶體驗,在前期輸入可用容量,將每個溫度下電芯的容量減小1~2Ah作為安時積分分母的可用容量。

        3.2 不同溫度SOC~OCV測試

        通過實驗發(fā)現(xiàn),電動汽車NEDC工況放電的電量和電池系統(tǒng)臺架測試0.33C放電電量相當(dāng)。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)電動汽車日常使用。我們選用0.33C充放電進行容量標(biāo)定。

        由圖2可以看出,電池在低SOC下內(nèi)阻較大,如果以較大的電流進行放電,會出現(xiàn)電壓驟降,容量放不出等情況。所以為了更加準(zhǔn)確的反應(yīng)放電容量,在低SOC時換成小電流來進行容量標(biāo)定。

        3.3 電池系統(tǒng)SOC精度估算軟件策略

        當(dāng)前一般SOC估算方法采用的是某一溫度下放電容量作為安時積分分母定值,在充放電過程中分母保持不變。由于電池在充放電電池存在溫升,在充電/放電一段時間后分母容量實際已發(fā)生變化(變大);而選取的分母還是較低溫度下的可用容量,這樣會直觀的表現(xiàn)SOC不準(zhǔn),續(xù)航不準(zhǔn)[2]。

        為了克服這一現(xiàn)象,我們基于測試數(shù)據(jù)優(yōu)化了軟件策略。安時積分采用動態(tài)分母,即在某一溫度下整車在使用時通過BMS采集某一時刻電流作為判斷條件。若采集的電流在某一段時間內(nèi)接近某個倍率(0.33C/0.5C/1C),則選擇該倍率下的容量作為分母。

        4 試驗臺架驗證

        參考行標(biāo)《QCT 897-2011 電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》進行-10℃,25℃,45℃試驗驗證;

        為更準(zhǔn)確的反應(yīng)SOC準(zhǔn)確性,-10℃、25℃可用容量Q0測試時候,選用該溫度下可用容量的倍率進行放電。

        45℃容量測試時,由于電池存在溫升,可能會超過電池使用上限55℃。為避免這一因素的影響,且為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)整車使用情況,在該溫度下我們選取整車放電功率作為45℃下放電電流來進行求取Q0 。

        如下表1為不同溫度下實驗結(jié)果,均滿足≤5%的精度誤差。

        5 結(jié)語

        準(zhǔn)確估算電池剩余電量,一方面,從充分發(fā)揮電池能力和提高安全性對電池進行精確、高效管理;另一方面,新能源汽車電池在使用過程中工況的不可確定性從而表現(xiàn)的高度非線性,使準(zhǔn)確估計SOC具有很大難度。兩方面的綜合因素考慮,使得電動汽車電池SOC估算方法的選擇甚為重要。

        目前,國內(nèi)各新能源主機廠大部分均采用安時積分進行SOC估算。我們從電芯參數(shù)到軟件策略分步考慮設(shè)計,從源頭電性能參數(shù)上減小誤差,再到策略的優(yōu)化;同時在整車上下電的過程中通過如圖3提供的SOC~OCV曲線進行修正。提供了一種精確的SOC估算方法。

        參考文獻:

        [1]李革臣,江海,王海英.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磷酸鐵鋰電池SOC預(yù)測研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,2007,21(5):405-409.

        [2]李哲,盧蘭光,歐陽明高.提高安時積分估算電池SOC精度的方法比較[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,50(8):1293-1296.

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