如何在微型混合動(dòng)力汽車中有效實(shí)施電池能效管理

3) 電池監(jiān)控

正如第2)部分中所提到的，IBS的主要用途是監(jiān)控電池狀態(tài)，并根據(jù)需要將狀態(tài)變量傳送至BCM或其他ECU。電池監(jiān)控輸入值將使用已測(cè)量的電池電流、電池電壓和溫度采樣值。電池監(jiān)控輸出值是SoC、SoH和SoF值。

3.1) 充電狀態(tài)

(SoC) SoC的定義非常直觀，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。完全充電的電池SoC為100%，完全放電的電池SoC為0%。SoC值隨電池的充電和放電改變。

該值通過公式(1)計(jì)算，其中Cr代表電池的剩余（可放電）電量，Ca代表電池的可用總電量：

但是，有一個(gè)問題是可用電池電量常常與電池的標(biāo)稱容量（通常標(biāo)注在電池外殼的標(biāo)簽上）不同。對(duì)于一個(gè)新電池，它可能比標(biāo)稱容量稍高，對(duì)于已經(jīng)使用一段的電池來說，可用電量會(huì)降低。另一個(gè)問題是，實(shí)際可用電量很難根據(jù)IBS的輸入值來確定。

因此，SoC通常額定為標(biāo)稱容量Cn，它具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

●特定SoC的電池的可用總充電電量是已知的，包括舊電池。

●測(cè)試Cn點(diǎn)的電流(I=Cn/20h)和溫度(27℃)是可確定的

庫侖計(jì)數(shù)算法是跟蹤SoC快速變化的最佳算法。它基于流進(jìn)和流出電池集成電流并根據(jù)實(shí)際情況采納經(jīng)過計(jì)算的SoC。公式(2)用于SoC計(jì)算，其中Q(t0)表示電池的初始電量，α表示效能因子，i(t)表示電流（正向或負(fù)向），Cn表示電池的標(biāo)稱容量。

除了α因子以外，公式中的參數(shù)都非常直觀。這是一個(gè)用來描述效能的因子，也稱為Peukert定律[3] [4]。它表述了在不同放電率的情況下鉛酸電池的電量。當(dāng)放電率提高時(shí)，電池的可用電量將降低。另外一個(gè)影響可用電量的參數(shù)是溫度。溫度越高，可用電量也 就越高。兩種效能都使用α描述，因此α值需要采用一個(gè)2維數(shù)組（溫度和放電率）。根據(jù)測(cè)量到的溫度和放電率，相應(yīng)的值分別用于每一個(gè)集成步驟。α值在很大 程度上取決于電池的設(shè)計(jì)和化學(xué)組成，通常情況下即使是同一家制造商的不同型號(hào)的電池該值也會(huì)有所不同。他們通常已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里通過充電和放電測(cè)試。

雖然Peukert定律只適用于放電的情況，但也有一個(gè)與α值類似的效能因子用于充電周期。除了溫度和充電率以外，實(shí)際的SoC 也需要考慮在內(nèi)，因?yàn)樵诟逽oC情況下的充電效能小于中等SoC情況下的充電效能。

因?yàn)榫C合了電流值和α值，因此在更改電池條件時(shí)產(chǎn)生的誤差、以及電流測(cè)量和量化誤差隨著時(shí)間的增加變得越來越多。因此，參數(shù)Q(t0) （電流集成的起始點(diǎn)）通常通過一種能夠提供更高精度的不同方法獲得：OCV 方法。OCV是當(dāng)沒有電氣元件從電池中獲取電流時(shí)電池兩極之間的電壓。

鉛酸電池顯示OCV和SoC之間有良好的線性關(guān)系。因此，通過測(cè)量OCV，SoC可以直接計(jì)算出來。OCV和SoC之間的確切因子必須表征出來。

這種方法的唯一缺陷是，OCV只能在汽車停好以后測(cè)量，例如（幾乎）所有電氣元件都關(guān)閉后，或者在汽車熄火后經(jīng)過數(shù)十分鐘甚至小時(shí)后再測(cè)量。

因此，OCV方法常常用于校準(zhǔn)庫侖計(jì)數(shù)，庫侖計(jì)數(shù)算法連續(xù)運(yùn)行。這種組合方式提供了一個(gè)良好的SoC計(jì)算方法，并且可以在一個(gè)較長的停車時(shí)間內(nèi)，用自放電率糾正SoC來使計(jì)算結(jié)果更加精確。

3.2) 健康狀態(tài)(SoH)

鉛酸電池的各種老化效應(yīng)會(huì)對(duì)電池使用造成不同的影響[5]。由于很難通過IBS逐個(gè)對(duì)這些老化效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和量化，因此SoH的額定值通 常不直接與這些老化效應(yīng)掛鉤。相反，會(huì)隨著電池的使用時(shí)間增長，容量額定值降低，這是老化的主要結(jié)果。與電池老化有關(guān)的另一個(gè)非常重要的參數(shù)是啟動(dòng)性能； 但是它通常表述為啟動(dòng)能力的功能狀態(tài)(SoF) (請(qǐng)參見第3.3節(jié))。

因此，SoH通過公式(3)來估計(jì)，其中Caged代表老化的電池容量，Cn代表在每個(gè)SoC計(jì)算中引用的標(biāo)稱容量。

因?yàn)镃n 是已知的，因此計(jì)算SoH的關(guān)鍵任務(wù)是找到Caged。一種可能的方法是在電池的整個(gè)使用壽命內(nèi)跟蹤可以到達(dá)的最大電量（或SoC）。如果在隨后進(jìn)行的若 干次完全充電后，電池的最大電量水平低于以前計(jì)算的老化容量，則表示老化容量變小。相應(yīng)的，Caged 和SoH必須根據(jù)庫侖計(jì)數(shù)和OCV方法確定的容量進(jìn)行調(diào)整。完全充電狀態(tài)可以在充電電流降低至特定門限值以下時(shí)監(jiān)測(cè)。

確定SoH的另外一個(gè)方法是跟蹤充電和放電周期，以電池制造商提供的周期穩(wěn)定點(diǎn)取其額定值。通常，制造商會(huì)確保在指定溫度和深度下的充電/放電周期總量，例如，在27攝氏度、25%放電深度時(shí)500個(gè)周期。通過將所有周期額定為上述數(shù)量，并應(yīng)用溫度和充電狀態(tài)校正因子，可支持跟蹤上面提到的Caged值。這些校正因子必須通過表征電池的參數(shù)來確定。但是，這兩種方法通常還會(huì)與其他專用算法結(jié)合使用，這些算法考慮了電池使用壽命中的多個(gè)電池參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行大量的電池參數(shù)表征可確定這些電池參數(shù)，通常只適用于一個(gè)特定的電池型號(hào)。