新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ― SOC 估計(jì)的四元模型

6.3.3容量老化補(bǔ)償

電池衰老是指電池在使用過(guò)程中，電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化，從而改變電池的某些特性。在對(duì)電池的研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著電池使用的循環(huán)次數(shù)的增加，電池的總?cè)萘渴窃谧兓?。?dāng)新的電池開(kāi)始使用時(shí)，它內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)并沒(méi)有充分反映，當(dāng)經(jīng)過(guò)多次的充放電后，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)將愈來(lái)愈充分，表現(xiàn)出電池總?cè)萘吭谙嗤瑮l件下將迅速增加，隨后電池總?cè)萘窟M(jìn)入緩慢增長(zhǎng)期，當(dāng)達(dá)到最大值后，開(kāi)始逐漸降低。它們的定性關(guān)系如圖6.3.

其中Ah ref是參考電池容量，它一般為電池容量在整個(gè)使用過(guò)程中的電池最大容量。Ah cyc為在某一衰老點(diǎn)的電池容量，它由衰老過(guò)程中電池端電壓和電池容量關(guān)系曲線確定。最后SOC的計(jì)算轉(zhuǎn)換式確定如下：

其中SOC cak為沒(méi)有進(jìn)行老化補(bǔ)償?shù)腟OC值，SOCage為老化補(bǔ)償后的值。

本系統(tǒng)中，老化補(bǔ)償?shù)木唧w做法如下：用電池所有流進(jìn)流出的安時(shí)數(shù)累加總值折算成電池循環(huán)次數(shù)，系統(tǒng)中存儲(chǔ)有電池老化曲線，這樣就可查出老化因子進(jìn)行老化補(bǔ)償。老化曲線由電池廠家提供，可以按兩種方式給出。一種用電池深放電循環(huán)次數(shù)，這種方法的缺點(diǎn)是在電動(dòng)車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不好判斷。另一種便是我們采用的按總安時(shí)數(shù)給出。

6.3.4溫度補(bǔ)償

對(duì)于電池，溫度高時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)活性物質(zhì)活動(dòng)增強(qiáng)，這樣反應(yīng)充分，有更多的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致電池總?cè)萘康脑黾印＿@樣當(dāng)電池溫度變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致SOC計(jì)量的不準(zhǔn)確。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出鋰電池在幾個(gè)關(guān)鍵溫度測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際放電有效電量。

在軟件設(shè)計(jì)中，我們利用對(duì)所給出的幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行分段曲線擬和，構(gòu)造出電池在不同溫度下的容量曲線。再將當(dāng)前放電溫度下電池的有效容量折算到20℃下的有效容量，這樣就完成了電池在放電下的溫度補(bǔ)償。當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)照容量曲線就可修正電池的總?cè)萘俊?p>6.3.5自放電補(bǔ)償

對(duì)于不同類(lèi)型的電池，自放電速度是不一樣的。而且，不同類(lèi)型的電池，影響自放電的主要因素也不完全一樣。影響自放電的因素，有溫度、電池的剩余電量等。當(dāng)溫度愈{，SOC愈大，自放電程度越深。電池廠商給出的參數(shù)說(shuō)明，在充電較滿(mǎn)的狀態(tài)下，前3天電池的自放電最嚴(yán)重。而且，自放電隨溫度不同也有較大差別。表6.1給出不同溫度下擱置3天電池自放電率。

在我們構(gòu)造的模型中，可以根據(jù)上表采用線性插值來(lái)近似計(jì)算電池自放電損失的能量。系統(tǒng)硬件中設(shè)有一片時(shí)鐘芯片PCF8583，每次系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)時(shí)就可以計(jì)算出和上次關(guān)機(jī)之間的時(shí)間間隔，同時(shí)根據(jù)溫度傳感器采集的電池環(huán)境溫度，依照電池廠商提供的自放電率與靜置天數(shù)、溫度的關(guān)系曲線，來(lái)修正電池的剩余電量，進(jìn)而對(duì)SOC的預(yù)測(cè)做出相應(yīng)的補(bǔ)償。

6.4電池不一致性對(duì)SOC的影響

電池組是由若干個(gè)單體電池串聯(lián)組成的。由于各單體電池容量的不一致，以串聯(lián)的電池組為對(duì)象對(duì)電池組進(jìn)行充放電，而不考慮單體電池的容量差別，就不可避免地會(huì)導(dǎo)致某些單體電池的過(guò)充、過(guò)放或充電不足。影響了電池的有效利用。

由于電池的不一致性，在預(yù)測(cè)SOC時(shí)應(yīng)以性能最差的電池作為預(yù)測(cè)的依據(jù)。如圖6.4所示為存在不一致性的電池放電時(shí)的特性曲線。在放電前期電池的電壓變化趨勢(shì)相同，好電池與壞電池的差別體現(xiàn)不明顯，但到后期性能較差的電池由于電池電量耗盡，電壓將迅速跌落，急劇下降的電壓反映出較大的U，此時(shí)如果繼續(xù)放電將會(huì)導(dǎo)致過(guò)放現(xiàn)象?？梢岳秒姵亟M中電壓最低的那個(gè)單體電池電壓U min與所有單體電池平均電壓U ave的差值U作為修正的依據(jù)，按照單電池電壓值與容量的關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)行修正。公式如下：

其中SOC為SOC的修正值。Ks為實(shí)驗(yàn)得到單電池電壓值與容量的關(guān)系系數(shù)，該系數(shù)Ks為大量單電池容量與端電壓實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值。U要扣除歷史技術(shù)檔案中的單電池電壓差值。

6.5 SOC的初始化

電池管理系統(tǒng)首次使用時(shí)需要對(duì)SOC進(jìn)行一次初始化。而且在計(jì)量剩余電量過(guò)程中，不可避免會(huì)引進(jìn)各種各樣的誤差。當(dāng)誤差積累到一定程度后，我們也要對(duì)SOC進(jìn)行初始化。一般講，在不考慮電池老化時(shí)，充滿(mǎn)電可認(rèn)為SOC=1.對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，電池在充放電截止時(shí)候?qū)⒈憩F(xiàn)出一定的特性。以鋰電池為例，在允許的最大定壓充電條件下，電流下降到非常小的數(shù)值并基本維持不變，這時(shí)候就認(rèn)為已經(jīng)充滿(mǎn)，應(yīng)該停止充電，否則將導(dǎo)致電池的過(guò)充，影響電池的循環(huán)使用壽命。這時(shí)便可設(shè)定SOC=1.對(duì)于舊電池的SOC則可以通過(guò)容量試驗(yàn)來(lái)確定

6.6 SOC的自整定問(wèn)題

采用電量跟蹤方式的估計(jì)，長(zhǎng)期(1-2年或更長(zhǎng))會(huì)產(chǎn)生積累偏差，必須自動(dòng)進(jìn)行糾偏，稱(chēng)作自整定。問(wèn)題是根據(jù)什么作為判據(jù)及怎樣進(jìn)行整定。

電池組在深度放電狀態(tài)下，它的內(nèi)阻會(huì)成十倍的增加。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以建立起電池在深放電時(shí)容量與內(nèi)阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于純電動(dòng)車(chē)，可以利用深放電時(shí)的內(nèi)阻值作為判據(jù)。假設(shè)此時(shí)由容量與內(nèi)阻值關(guān)系曲線得到的SOC值為SOC1，而由電池管理系統(tǒng)給出的值為SOC2，此時(shí)的自整定公式如下：

這樣就得到自整定后的SOC值，其中系數(shù)u取優(yōu)選系數(shù)0.618.對(duì)于混合電動(dòng)車(chē)，由于電池不會(huì)達(dá)到深度放電狀態(tài)，故不能單獨(dú)采用內(nèi)阻值作為判據(jù)。我們可以通過(guò)精密放電實(shí)驗(yàn)建立起電池容量與大電流放電狀態(tài)下的電池電壓及內(nèi)阻值兩者之間的關(guān)系。然后利用大電流放電時(shí)的電池電壓及內(nèi)阻值作為判據(jù)來(lái)進(jìn)行自整定。

只有在電池大批量生產(chǎn)的條件下，電池的特性非常穩(wěn)定，才可能進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究和采用本方法進(jìn)行自整定。