摘 要：隨著生態(tài)文明建設(shè)工程的現(xiàn)代化推進(jìn)，低碳產(chǎn)業(yè)中的電動(dòng)力汽車于近年來(lái)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其中于電池荷電狀態(tài)估計(jì)以及電池組均衡技術(shù)為代表的能源管理技術(shù)是電動(dòng)汽車生產(chǎn)的核心技術(shù)工藝。本文從前人學(xué)者研究成就出發(fā)，明確電動(dòng)汽車電池技術(shù)研究的重大意義，同時(shí)分別進(jìn)行以參數(shù)離線辨識(shí)及EKF算法為基礎(chǔ)的電池荷電估計(jì)以及電動(dòng)汽車電池均衡控制策略研究的細(xì)節(jié)闡述，旨在為我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)以及城市低碳建設(shè)事業(yè)提供技術(shù)理論支撐與研究參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 電池荷點(diǎn)狀態(tài)估計(jì) 均衡技術(shù)

Abstract：With the modernization of ecological civilization construction projects， electric vehicles in low-carbon industry have developed by leaps and bounds in recent years， among which energy management technology represented by battery state of charge estimation and battery pack balancing technology is the core technical process of electric vehicle production. Starting from the research achievements of previous scholars， this paper clarifies the great significance of electric vehicle battery technology research， and at the same time elaborates on battery charge estimation based on parameter offline identification and EKF algorithm and the detailed elaboration of electric vehicle battery balance control strategy， aiming to provide technical theoretical support and research reference for China's electric vehicle industry and urban low-carbon construction.

Key words：electric vehicles， battery load state estimation， balancing technology

1 引言

隨著市場(chǎng)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力以及持續(xù)性能要求的不斷提升，電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)估計(jì)與電池組均衡技術(shù)設(shè)計(jì)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者尤其關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

Hannan M A，Lipu M，Hussain A（2017）在研究中對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)械電池荷電狀態(tài)所使用的具體方法進(jìn)行綜述總結(jié)，總計(jì)提出四類具體方法，分別為安時(shí)積分運(yùn)算法、開路電壓估計(jì)法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)觀察法、以及基于模型的實(shí)踐模擬法[1]。Wang Y，Tian J，Sun Z（2020）在模型模擬實(shí)踐法的研究中走得更遠(yuǎn)，結(jié)合自身實(shí)踐成果將基于模型的實(shí)踐模擬法在反復(fù)大量的電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)預(yù)估試驗(yàn)中參照等效電路回路模型鋰離子狀態(tài)，將該方法細(xì)分為狀態(tài)觀測(cè)設(shè)備辦法以及濾波圖像參考辦法[2]。劉軼鑫，張頔，李雪（2019）于研究中提出使用狀態(tài)觀測(cè)設(shè)備所進(jìn)行的模型模擬實(shí)驗(yàn)具有在一定程度上起到抵御模型形變和抗擊外界實(shí)驗(yàn)干擾的效果，但整體設(shè)備搭建所耗時(shí)較多，為具體試驗(yàn)的高效率開展埋下相當(dāng)?shù)碾y度困境，同時(shí)其在收斂專項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定中所需要的計(jì)算流程也相對(duì)更加復(fù)雜，無(wú)法適應(yīng)新時(shí)期的在線數(shù)據(jù)云端互動(dòng)與更新的要求[3]。同時(shí)李占英，時(shí)應(yīng)虎，張海傳（2019）在研究中則承認(rèn)了濾波方案使用的優(yōu)越性，并在具體實(shí)驗(yàn)中分別探究了不同材質(zhì)濾波對(duì)于電池荷電狀態(tài)評(píng)估準(zhǔn)確性的影響，其所涉及的濾波類型囊括擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)跡卡爾曼濾波、容積卡爾曼濾波以及粒子濾波四類[4]。

Rui X，Li L，Tian J（2018）從電池電源工作的規(guī)律性出發(fā)，使用目標(biāo)電源運(yùn)行期間的電壓充當(dāng)衡量電池內(nèi)部離散效果表現(xiàn)的參照對(duì)象，搭建了一類以小型變壓器為設(shè)備依托的人工均衡狀態(tài)電力，于常規(guī)副邊結(jié)構(gòu)處使用BMS控制器進(jìn)行點(diǎn)陣電路閉路與開路控制，達(dá)成電能于電池組內(nèi)部及旁路電池組之間的均衡互換環(huán)境，同時(shí)借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)證明了該系統(tǒng)于電動(dòng)車電源電池靜置、放電以及充電期間的良好均衡性能表現(xiàn)[5]。Han X，Ouyang M，Lu L，Li J（2014）將電池均衡性表現(xiàn)放置于電感之上，并在實(shí)際模型搭建中令該項(xiàng)數(shù)值充當(dāng)電能均衡轉(zhuǎn)換所依托的中介轉(zhuǎn)換裝置，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手開展了一系列研究，研究證明上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)于電池組內(nèi)展現(xiàn)出了極強(qiáng)的均衡性能，對(duì)于放電電流較強(qiáng)的動(dòng)力能源電池具有較高的效能潛力，在此類均衡技術(shù)的應(yīng)用下整體電路還可以表現(xiàn)出較高的延展能力，可以在錯(cuò)綜負(fù)載的斷通路點(diǎn)陣環(huán)境下完成雙向電能均衡的目標(biāo)任務(wù)[6]。劉紅銳（2014）在試驗(yàn)中打造了一類以LC震蕩型全新材質(zhì)電路為基礎(chǔ)的電動(dòng)車蓄電電池串聯(lián)均衡結(jié)構(gòu)，而后從電池外電壓以及荷電狀態(tài)數(shù)值出發(fā)依次搭建了可行性較強(qiáng)的電池組均衡管理方案，并最終借助BMS試驗(yàn)證明了其上述兩項(xiàng)研究的實(shí)效性發(fā)揮[7]。董燕（2014）在試驗(yàn)中尤其關(guān)注均衡控制算法的設(shè)計(jì)，以此利用非線性PID現(xiàn)代管控運(yùn)算機(jī)制、粗略型控制運(yùn)算機(jī)制以及以動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化途徑改良算法達(dá)成針對(duì)電動(dòng)車電池組的有效均衡性控制[8]。

2 電動(dòng)汽車電池技術(shù)研究意義

電動(dòng)汽車使用電能作為機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源，考慮到汽車駕駛所需要的操作空間及續(xù)航能力要求，當(dāng)下電動(dòng)汽車內(nèi)部電能主要以蓄電池的形式存儲(chǔ)于車輛機(jī)械核心之中。為了保證汽車驅(qū)動(dòng)的動(dòng)能強(qiáng)勁，新能源汽車在實(shí)際電能技術(shù)使用中與動(dòng)能中心區(qū)域采用動(dòng)力電池串聯(lián)安裝，用以謀求電池供能時(shí)的最佳放電效果和駕駛過(guò)程中的最優(yōu)安全保障，系統(tǒng)內(nèi)針對(duì)供能電池所搭載的狀態(tài)監(jiān)控與異常管理系統(tǒng)名為Battery Management System，以下簡(jiǎn)稱BMS。此類管理程序存在的意義就在于為技術(shù)人員提供精準(zhǔn)的電池運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)參考，可以在實(shí)際技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)實(shí)機(jī)械維修工作中用以預(yù)估電池功能期間的種種參數(shù)狀態(tài)，平衡串聯(lián)電池組之間的差異化性能表現(xiàn)，有效提升電力驅(qū)動(dòng)型機(jī)動(dòng)車的架勢(shì)壽命以及性能表現(xiàn)，同時(shí)也是車輛內(nèi)部核心控制程序在運(yùn)行期間評(píng)估能量供給程序的重要參考。作為指示電池剩余電量和均衡電池組動(dòng)能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，電池荷電狀態(tài)估計(jì)及均衡策略研究對(duì)于電動(dòng)汽車的未來(lái)發(fā)展具有極強(qiáng)的實(shí)踐意義和研究?jī)r(jià)值。

3 以參數(shù)離線辨識(shí)及DEKF算法為基礎(chǔ)的電池荷電估計(jì)

一般來(lái)講，將某個(gè)帶方向的狀態(tài)量加入因果系統(tǒng)內(nèi)部，該狀態(tài)量的可測(cè)量性便會(huì)有所下降，在實(shí)際數(shù)量表現(xiàn)上可以顯示出歷史數(shù)據(jù)輸入對(duì)于整體系統(tǒng)的影響，此時(shí)使用電池荷電狀態(tài)數(shù)值充當(dāng)狀態(tài)量。本次研究借助卡爾曼濾波理論基礎(chǔ)，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)程序內(nèi)部對(duì)串聯(lián)電池組內(nèi)部的個(gè)體電池進(jìn)行觀測(cè)，所輸入的數(shù)值類別囊括電流以及做功放熱期間的一端電壓數(shù)值。

從細(xì)節(jié)上來(lái)談，本次研究所使用的算法邏輯如上圖1所示，在輸入數(shù)量u（k）被帶入到測(cè)量體系模型與狀態(tài)控制算法之中后，由技術(shù)人員以此記錄此時(shí)的狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)值x（k|k-1）以及測(cè)算數(shù)值y（k），借由x（k|k-1）以及y（k）實(shí)現(xiàn)對(duì)整體模型內(nèi)承擔(dān)權(quán)值效用的卡爾曼增益數(shù)值kg（k）進(jìn)行計(jì)算，而后充分激發(fā)模型內(nèi)x（k|k）、y（k）以及卡爾曼增益數(shù)值kg（k）的效用，用以達(dá)成狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)值x（k|k-1）的實(shí)時(shí)更新，最大程度上達(dá)成一種電池荷電估計(jì)數(shù)值的實(shí)效性。

參照學(xué)術(shù)界先進(jìn)控制原理，設(shè)需要被估計(jì)的電池荷點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)容的狀態(tài)方程式與監(jiān)測(cè)方程式的離散數(shù)值表現(xiàn)如下：

針對(duì)上述離散方程式，借助卡爾曼濾波邏輯完成最佳預(yù)估，其在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中遵循以下流程：

（1）假定當(dāng)下時(shí)刻正處于K，則當(dāng)下時(shí)刻的狀態(tài)表現(xiàn)則為x（k），參照以往時(shí)刻的荷點(diǎn)情況以及規(guī)律性系統(tǒng)算術(shù)模型可以預(yù)估當(dāng)下電荷狀態(tài)的估計(jì)數(shù)值，且具體預(yù)估數(shù)值遵循以下公式：

（2）待預(yù)測(cè)數(shù)值x（k|k-1）的協(xié)方差運(yùn)算遵循以下公式：

上述式中，p（k|k-1）代表以往時(shí)刻點(diǎn)估計(jì)值的準(zhǔn)確數(shù)值的x（k|k-1）的協(xié)方差運(yùn)算結(jié)果，參照以往時(shí)刻估計(jì)數(shù)值計(jì)算的最末一次更新數(shù)值得出。

（3）流程（1）、（2）是針對(duì)電池荷電系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)值的歷史更新，在后續(xù)進(jìn)度計(jì)算中具體可以借助以上兩步所得出的估計(jì)數(shù)值與測(cè)量數(shù)值完成當(dāng)下時(shí)刻的最佳荷電狀態(tài)數(shù)值估計(jì)x（k|k），完成對(duì)卡爾曼濾波增益效果的權(quán)值相關(guān)運(yùn)算，具體運(yùn)算遵循以下公式：

（4）參照卡爾曼濾波的增益規(guī)律以及荷電狀態(tài)預(yù)估數(shù)值可以計(jì)算出待評(píng)估數(shù)量的最準(zhǔn)確數(shù)值表現(xiàn)x（k|k），具體運(yùn)算遵循以下公式：

（5）最終參照最精準(zhǔn)估算數(shù)值，開展協(xié)方差方程代入更新，用以為后續(xù)迭代計(jì)算提供方便的數(shù)值參考，具體運(yùn)算遵循以下公式：

上述式中，I代表單位矩形點(diǎn)陣，整體迭代運(yùn)算步驟如下圖2所示。

4 電動(dòng)汽車電池均衡判據(jù)閾值設(shè)計(jì)

均衡通知策略設(shè)計(jì)可以保證電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中硬件電路的正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于整體電池組的均衡電源設(shè)計(jì)中意義重大，本次研究以前文所研究的電池荷電估計(jì)算法為前提，借助電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化提供可行性依據(jù)，用以確保在控制設(shè)施應(yīng)用后整體電動(dòng)車能源串聯(lián)電池結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)出的電池荷電數(shù)值差異可以為控制系統(tǒng)限定于安全范疇內(nèi)。

均衡判據(jù)閾值數(shù)值等同于均衡控制系統(tǒng)啟動(dòng)并有效運(yùn)轉(zhuǎn)的臨街?jǐn)?shù)值，同時(shí)也是技術(shù)與研發(fā)人員在工作中確保串聯(lián)電池組彼此之間荷電數(shù)值表現(xiàn)一致的重要參考。該項(xiàng)數(shù)值的具體取值需要參考控制目標(biāo)與串聯(lián)電池組的常規(guī)運(yùn)行電壓、電源合計(jì)容量以及具體串聯(lián)設(shè)計(jì)方案等細(xì)節(jié)參數(shù)。

在將干擾元素排除在外的前提下，電源均衡控制系統(tǒng)運(yùn)行的終極結(jié)果則將極限追求串聯(lián)電池組內(nèi)部的荷電數(shù)值的完全相等，但事實(shí)上，考慮到電動(dòng)汽車內(nèi)部荷電數(shù)值估計(jì)得時(shí)刻時(shí)間差值以及串聯(lián)電源彼此之間的合理干擾誤差，在現(xiàn)實(shí)電路結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)汽車內(nèi)部電源機(jī)組是不能達(dá)到真正意義上的全部均衡的。基于此，本次研究設(shè)計(jì)了一種誤差較小的均衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的初始建設(shè)目標(biāo)在于將電動(dòng)汽車內(nèi)部電源組結(jié)構(gòu)中的全部12個(gè)獨(dú)立電源設(shè)備的荷電數(shù)值表現(xiàn)之間的偏差值控制在0.01以下。參照上述分析，本次研究繼續(xù)為電動(dòng)汽車電池組件均衡設(shè)備搭建了全新的啟動(dòng)與停止閾值：倘若出現(xiàn)電池某獨(dú)立模組設(shè)備中的荷電預(yù)估狀態(tài)表現(xiàn)SOCi同整個(gè)電動(dòng)汽車電源機(jī)組之間的荷電狀態(tài)表現(xiàn)均值相減后所得差值于正負(fù)范疇內(nèi)不小于ΔSOC，則此時(shí)電動(dòng)汽車電池組件均衡設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)操作，在設(shè)備啟動(dòng)后直至出現(xiàn)電池某獨(dú)立模組設(shè)備中的荷電預(yù)估狀態(tài)表現(xiàn)SOCi同整個(gè)電動(dòng)汽車電源機(jī)組之間的荷電狀態(tài)表現(xiàn)均值相減后所得差值于正負(fù)范疇內(nèi)小于ΔSOCout，則此時(shí)電動(dòng)汽車電池組件均衡設(shè)備進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，本次研究所使用的ΔSOC與ΔSOCout恒定取值ΔSOC=0.03，ΔSOCout=0.01。

下一步將具體設(shè)計(jì)本次研究中所涉及的精確均衡其停止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)條件，其中系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的電動(dòng)汽車電源電流均值遵循以下公式：

倘若電源模組內(nèi)某一獨(dú)立電池在荷電表現(xiàn)中存在同整個(gè)電動(dòng)汽車電源機(jī)組之間的荷電狀態(tài)表現(xiàn)均值相減后所得差值于正負(fù)范疇內(nèi)恰巧與的固定值保持一致，那么此時(shí)結(jié)合電氣自動(dòng)化原理中的削峰理念，此時(shí)若想保證整體電池獨(dú)立機(jī)組之間的相互平衡一致則必須要把電池機(jī)組內(nèi)部的多余電量數(shù)值向整個(gè)電源機(jī)組進(jìn)行平分共享。而如若此時(shí)技術(shù)人員選擇結(jié)合電氣自動(dòng)化原理中的填谷理論，此時(shí)若想保證整體電池獨(dú)立機(jī)組之間的相互平衡一致則必須用整個(gè)電源機(jī)組多余的電量數(shù)值向目標(biāo)獨(dú)立電池機(jī)組處進(jìn)行轉(zhuǎn)移分配。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究得知，電池管理技術(shù)是新時(shí)期電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心科技功能。（1）在電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法探索中，本文設(shè)計(jì)了以DEKF算法為基礎(chǔ)的電池荷電狀態(tài)評(píng)估辦法；（2）在電池組均衡控制技術(shù)研究中，本文明確規(guī)定了均衡啟動(dòng)判據(jù)數(shù)值。以此助力我國(guó)機(jī)動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的低碳升級(jí)與區(qū)域生態(tài)文明的永續(xù)發(fā)展。

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目“考慮電池容量衰退的純電動(dòng)汽車鋰離子電池荷電狀態(tài)研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2022J1352。

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作者簡(jiǎn)介

鐘彥雄：男，實(shí)驗(yàn)師、工程師，大學(xué)本科。研究方向：汽車技術(shù)、新能源汽車技術(shù)、職業(yè)教育。