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(chǔ);充分考慮各種影響因素進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(bǔ)償、容量老化補(bǔ)償、自放電補(bǔ)償、充電率補(bǔ)償、放電率補(bǔ)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(jìn)流出電池安時數(shù)，記為Qused(當(dāng)放電時Qused為正，充電時Qused為負(fù))，在用當(dāng)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(dāng)然由于影響電池的因素很多，導(dǎo)致電池的狀態(tài)不斷變化，這種不斷的變化相應(yīng)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(zhǔn)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(yù)測的補(bǔ)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(yīng)該考慮多種因素影響而不應(yīng)該是簡單的累加。

首先我們規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)情況，包括標(biāo)準(zhǔn)溫度TS，標(biāo)準(zhǔn)放電電流IS，標(biāo)準(zhǔn)剩余電量QS。在試驗過程中，我們定義標(biāo)準(zhǔn)溫度TS=20℃，標(biāo)準(zhǔn)放電電流IS=18A(即1C放電電流)，QS就是在標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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?cè)萘康囊蛩?，以下我們將分類討論它們的補(bǔ)償技術(shù)

6.3.1充電率補(bǔ)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(bǔ)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(guān)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(guān)常數(shù)k——與活性物質(zhì)量有關(guān)常數(shù)。

為求常數(shù)n，k，用兩種放電率進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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。