楊法松， 曾國建， 吉 祥， 占禮葵， 熊珊珊

（1.安徽銳能科技有限公司， 安徽合肥 230009；2.中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院， 安徽合肥 230009）

1 引言

當(dāng)前交通工具、 民用電子、 航空航天大規(guī)模使用鋰電池， 均看中鋰電池具有高能量密度、 高輸出電壓、 循環(huán)壽命長等特性。 鋰電池可以進(jìn)行多次充電， 在充電過飽和或者欠飽和都會(huì)對(duì)其壽命造成影響。 鋰電池壽命的縮短不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失， 還可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生， 特別是在航天航空領(lǐng)域。 因此， 充電剩余時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能防止鋰電池壽命縮短， 對(duì)保證電池系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定具有重要意義。

目前國內(nèi)外針對(duì)充電剩余時(shí)間的研究有很多方向： 婁宇成等提出在非線性 （GNL） 的改進(jìn)電池模型上， 結(jié)合多元參數(shù)辨識(shí)以及電池充放電等特性， 建立電池充電過程中電池參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系模型， 但參數(shù)較多且不同階段對(duì)應(yīng)不同的模型， 其實(shí)用性、 通用性不強(qiáng)。 文獻(xiàn)[4-6]提出了三段模型， 將充電分成3個(gè)階段： 涓流充電、 恒流充電和恒壓充電， 這種做法沒有考慮充電過程中損耗問題， 導(dǎo)致預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差。

從上述的研究方向， 都沒有考慮低溫充電時(shí)需要對(duì)電池進(jìn)行加熱而導(dǎo)致的損耗和充電時(shí)間的延長， 這樣在低溫充電時(shí)預(yù)測(cè)的充電時(shí)間將嚴(yán)重偏離。 因此研究低溫電池充電剩余時(shí)間策略具有現(xiàn)實(shí)和工程指導(dǎo)意義。

2 BMS低溫剩余充電時(shí)間預(yù)估介紹

本策略結(jié)合充電功率Map、 充電 （加熱） 過程中溫升速率和末端恒壓充電實(shí)際充電時(shí)間數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)在剛充電時(shí)刻準(zhǔn)確預(yù)估完整充電過程并計(jì)算充電剩余時(shí)間的目的。

為了在充電開始時(shí)刻準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整個(gè)充電過程中的電流變化曲線、 精準(zhǔn)估算充電剩余時(shí)間， 簡化了充電功率Map的查表方式， 具體如下。

結(jié)合SOC與單體電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 確定不同溫度下恒流充電與充電末端的界限值THR和對(duì)應(yīng)的V、 SOC， 參考表1。

表1 名詞縮寫對(duì)照表

當(dāng)SOC≤SOC且V≤V時(shí)， 使用溫度、 SOC查充電功率Map表， 即：

加熱的截止溫度為T， 當(dāng)T＜T時(shí)， 加熱、 充電同時(shí)進(jìn)行 （僅加熱可認(rèn)為充電電流為0A的充電）。 插槍時(shí)刻，根據(jù)溫度T、 SOC查功率Map， 起始充電電流為I， T、SOC分別為功率表中下一階段充電電流所對(duì)應(yīng)的溫度、SOC。

同理， T、 SOC分別為下一階段充電電流所對(duì)應(yīng)的溫度、 SOC， 則T-T經(jīng)歷的時(shí)間Δt， SOC-SOC經(jīng)歷的時(shí)間Δt， 充電電流I的充電時(shí)長為：

假設(shè)從T-T電流變化的次數(shù)為n， 則低溫充電的總時(shí)間：

3 BMS低溫剩余充電時(shí)間預(yù)估驗(yàn)證

根據(jù)低溫剩余充電時(shí)間預(yù)估邏輯， 選取幾個(gè)點(diǎn)的溫度和SOC充電目標(biāo)編寫被測(cè)試表格 （表2）， 然后根據(jù)表2， 用真實(shí)的電池在環(huán)境箱使用充電柜進(jìn)行充電， 驗(yàn)證預(yù)估時(shí)間是否接近。

表2 被動(dòng)均衡測(cè)試用例

選取電池后根據(jù)表1的初始SOC值， 使用充放電柜進(jìn)行真實(shí)的充放電， 實(shí)現(xiàn)初始SOC值。 然后使用環(huán)境箱， 將電池的環(huán)境溫度進(jìn)行控制， 達(dá)到表1要求， 接著按照目標(biāo)SOC進(jìn)行充電， 統(tǒng)計(jì)達(dá)到目標(biāo)SOC的充電時(shí)間。

圖1為環(huán)境溫度-5℃時(shí)， SOC從30%充電到100%時(shí)預(yù)測(cè)剩余時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄， 圖2 為環(huán)境溫度-10℃時(shí)， SOC從3%充電到100%時(shí)預(yù)測(cè)剩余時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄。 從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出， 從充電開始預(yù)估的充電剩余時(shí)間和真實(shí)充電完成的時(shí)間非常吻合， 但是在充電過程中， 因溫升導(dǎo)致充電電流變化導(dǎo)致預(yù)估不準(zhǔn)，在充電尾端會(huì)快速收斂準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)充電剩余時(shí)間。

圖1 溫度-5℃， SOC30%～100%數(shù)據(jù)記錄

圖2 溫度-10℃， SOC3%～100%數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

本文介紹了一種低溫電池充電剩余時(shí)間預(yù)估的方法，該方法具有以下特點(diǎn)： 考慮加熱膜加熱速率和充電溫升速率預(yù)測(cè)加熱時(shí)間； 考慮加熱充電進(jìn)行充電積分， 預(yù)測(cè)加熱充電的充電剩余時(shí)間； 將溫度升高后充電電流變化進(jìn)行分段積分， 預(yù)測(cè)溫度段的充電時(shí)間； 最后將不同分段的時(shí)間進(jìn)行累加算出低溫充電的剩余充電時(shí)間。 后期通過真實(shí)的充電柜和環(huán)境箱進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證， 發(fā)現(xiàn)該方法比較準(zhǔn)確地預(yù)估了剩余充電時(shí)間， 因此具有較好的理論價(jià)值和實(shí)際意義。