新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) ― SOC 估計的四元模型

經(jīng)過深入的分析和試驗研究，選擇了一種綜合的電量估計模型。我們稱之為四元模型：它以精確的安時計量為基礎;充分考慮各種影響因素進行補償;考慮電池不一致性對電量估計造成的偏差;對長期的積累誤差考慮進行自整定。

6.1安時積分法

安時法基于的原理較為簡單。它是對電流實時進行積分得到充入電池和從電池放出的電量。它對電池的電量情況進行長時間的記錄和監(jiān)測，從而能夠給出任意時刻電池的安時電量。該方實現(xiàn)起來較簡單，受電池本身情況的限制小，宜于發(fā)揮微機監(jiān)測的優(yōu)點。但在有干擾時，積分值會產(chǎn)生偏差，因而要提高電流測量的精度和采取有效的濾波措施。

6.2電池安時積分模型的建立

我們的估測方法也是基于安時法，通過精確的安時計量來跟蹤電池的SOC，其間充分考慮了溫度補償、容量老化補償、自放電補償、充電率補償、放電率補償、不一致性影響。圖6.1是SOC估計框圖。

系統(tǒng)中SOC估計的核心在于精確的安時計量，電流I對時間t積分即為流進流出電池安時數(shù)，記為Qused(當放電時Qused為正，充電時Qused為負)，在用當前電池的剩余電量Qres減去Qused，即得出電池經(jīng)過充放電后電池所剩的電量，然后除以電池的總電量得出SOC值：

當然由于影響電池的因素很多，導致電池的狀態(tài)不斷變化，這種不斷的變化相應的影響了SOC的計量，而且由此造成的積累誤差可能越來越大，造成SOC值的不準確。為此有必要研究影響SOC的因素，以減少這些因素所帶來的誤差。

6.3 SOC預測的補償

電池不是一個簡單的模型，它的電量會受到溫度、放電率、自放電、老化、不一致性等多種因素影響，其中有些因素對電量估計的影響很大，忽略這些因素將給電量估測帶來較大的偏差。因此剩余電量計量過程應該考慮多種因素影響而不應該是簡單的累加。

首先我們規(guī)定一個標準情況，包括標準溫度TS，標準放電電流IS，標準剩余電量QS。在試驗過程中，我們定義標準溫度TS=20℃，標準放電電流IS=18A(即1C放電電流)，QS就是在標準溫度標準放電電流下電池所能放出的電量。

另外需要說明的是，由于我們的研究對象是整組電池，所以要考慮電池組中性能最差的電池，以其性能作為電池組的性能參考依據(jù)。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)SOC誤差主要來源之一在于總電量的誤差，如下式：

其中Kn表示電池的標稱容量，Ia表示平均電流，T表示電池溫度，A表示電池的衰老因子。從上式可以知道電流、溫度、衰老因子是主要影響總容量的因素，以下我們將分類討論它們的補償技術

6.3.1充電率補償

根據(jù)電池廠深圳雷天公司提供的電池多輪充放電循環(huán)試驗數(shù)據(jù)表明，在充電過程中，實際上的充電效率大概在97%左右，因此我們在SOC估計中可取充電效率因子μ(SOC)=0.97.

6.3.2放電率補償

電池在不同電流下放電時所放出的電量是不同的。我們經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，電池容量同放電電流的關系基本如圖6.2所示。

對于容量修正，目前得到廣泛接受的是Peukert于1898年提出的經(jīng)驗公式

式中I——放電電流(A) t——放電時間(h)

n——與電池類型有關常數(shù)k——與活性物質(zhì)量有關常數(shù)。

為求常數(shù)n，k，用兩種放電率進行放電，得

將n代入(16.a)即可求得k值，有了n和k值就可得任意放電率下的容量。

所以，在計算SOC時必須考慮放電率因素。由于電動汽車用電池放電電流值并不恒定，有必要規(guī)定一個參考電流，在計算SOC時，將其他放電電流放出的電量折算到參考標準電流所放的電量，以消除不同放電電流對SOC值計算所帶來的誤差。