汽車電池soc估算方法研究

汽車電池soc估算方法研究

隨著社會(huì)對(duì)汽車節(jié)能和環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。而混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力電池作為整車動(dòng)力能源之一,其性能和工作狀態(tài)對(duì)整車而言至關(guān)重要。動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)(SOC)是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)力分配以及電池管理的一個(gè)重要依據(jù),準(zhǔn)確的SOC信息對(duì)電池的高效管理和整車性能提高有著重要意義。由于動(dòng)力電池在使用過程中的高度非線性,SOC受到充放電流、內(nèi)部溫度、自放電、老化等因素的影響,使得車載動(dòng)力電池SOC的精確估算具有很大難度。本文以業(yè)內(nèi)看好的磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象,在研究磷酸鐵鋰的充放電特性后,提出一種磷酸鐵鋰電池SOC的估算算法。1u2009油路電壓值的計(jì)算本文提出的車載電池SOC綜合估算方法是將安時(shí)計(jì)量法、等效電路模型法和開路電壓法相結(jié)合,在安時(shí)計(jì)量法的基礎(chǔ)上,每隔一段時(shí)間通過實(shí)測(cè)電池狀態(tài)信息,利用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的等效電路模型計(jì)算出此時(shí)對(duì)應(yīng)的開路電壓值,再利用開路電壓法基于實(shí)驗(yàn)建立的SOC-OCV(Opencircuitvoltage,OCV)關(guān)系曲線查出對(duì)應(yīng)的SOC值,對(duì)安時(shí)計(jì)量法的計(jì)算值進(jìn)行修正。車載電池SOC綜合估算方法既考慮了安時(shí)計(jì)量法簡(jiǎn)單易用、算法穩(wěn)定、目前應(yīng)用最多的優(yōu)勢(shì),又考慮等效電路模型在特定的數(shù)據(jù)輸入范圍內(nèi),有很好仿真效果的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)結(jié)合由實(shí)驗(yàn)得到的SOC-OCV關(guān)系曲線。該方法既能克服安時(shí)計(jì)量法由于車載電池的電流測(cè)量欠準(zhǔn)確、誤差通過積分長期累積、SOC估算值將產(chǎn)生較大誤差的問題,也可以克服一個(gè)等效電路模型不可能適用電池整個(gè)狀態(tài)變化范圍的不足,同時(shí)又可避免車載電池?zé)o法實(shí)時(shí)測(cè)量開路電壓的情況。2磷酸鐵粉池的套算方法2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)為了進(jìn)行電池特性實(shí)驗(yàn),本文采用高精度直流可編程電源IT6164、直流可編程電子負(fù)載IT8515C、SI7063高精度萬用表搭建了研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象磷酸鐵鋰電池,其標(biāo)稱電壓是3.2V,終止充電電壓是3.65V,終止放電壓是2.0V。經(jīng)過大量的充放電實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理,整理得到磷酸鐵鋰電池OCV與SOC的關(guān)系曲線如圖1所示,不同放電倍率下的電壓曲線如圖2所示,由此可得磷酸鐵鋰電池的庫侖效率。2.2磷酸鐵鋰電池soc初始值考慮庫侖效率和溫度等因素,安時(shí)計(jì)量法修正為:式中:SOC0為初始SOC,根據(jù)測(cè)量磷酸鐵鋰電池的開路電壓,查OCV-SOC關(guān)系,即可得到SOC初始值;h為庫侖效率;C25為電池在25℃時(shí)的容量;α為溫度系數(shù);T為當(dāng)前電池溫度。公式中電流符號(hào)放電時(shí)為正,充電時(shí)為負(fù)。2.3鐵鋰電池效電路模型本文選擇Thevenin模型作為電池的等效電路模型原型,并在該模型中增加了一個(gè)阻容并聯(lián)環(huán)節(jié),相比原模型,能更準(zhǔn)確地描述鐵鋰電池的特性響應(yīng),等效電路模型如圖3所示。2.4脈沖沖流電池特性在較小電流加載的工況下,此時(shí)電池近似滿足線性化模型,可將某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之后的電壓響應(yīng)看成是在該時(shí)刻點(diǎn)的零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)的疊加。本文利用電池實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的SOC值對(duì)應(yīng)的等效電路參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。實(shí)驗(yàn)采用電池的激勵(lì)信號(hào)是幅值3.33A、持續(xù)時(shí)間10s的脈沖電流,施加于單體磷酸鐵鋰電池,脈沖結(jié)束后再靜置10min,其響應(yīng)如圖4所示。當(dāng)撤除加載電流后,電壓發(fā)生緩慢變化逐漸平穩(wěn)。該段電壓曲線即反映了電容C1和C2分別通過各自的阻容回路對(duì)R1和R2的放電過程,對(duì)于兩個(gè)串聯(lián)在一起的阻容并聯(lián)環(huán)節(jié)零輸入響應(yīng)就可以寫為:用最小二乘法擬合電壓緩慢變化的那段曲線,可以求得τ1和τ2。電壓下降部分的曲線可以看作是阻容電路的零狀態(tài)響應(yīng)。零狀態(tài)響應(yīng)可以寫成Uc=U0(1-e-t/τ)。于是,兩個(gè)阻容環(huán)節(jié)上的電壓響應(yīng):把前面求出的τ1和τ2代入,再利用最小二乘法擬合電壓下降部分的曲線,可以求得R1和R2,繼而求得C1=τ1/R1,C2=τ2/R2。計(jì)算電池的歐姆內(nèi)阻R0,只需要將圖4中電壓突變的壓降除以給電池加載的電流即可。電容C0放電放走了部分電量,使得電池的SOC狀態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)而引起相應(yīng)的開路電壓的變化。3磷酸鐵粉池套泊套算法的模擬模型3.1放電前端電壓的變化根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)可知,磷酸鐵鋰電池的放電過程可以分為二個(gè)階段。第一個(gè)階段是端電壓下降的部分,引起這樣變化的原因可以看成是雙阻容電路的零狀態(tài)響應(yīng),即電容C1和C2因電阻R1和R2具有電壓而進(jìn)行充電,電容C1和C2的電壓與大容量電容C0的電壓反向。電容C1和C2的電壓逐漸增大,端電壓U就呈下降趨勢(shì)。用公式可表示為:式中:Uoc表示放電前的開路電壓;U1=IR1;U2=IR2。第二個(gè)階段是端電壓緩慢變化的部分,引起這樣變化的原因可以看成是雙阻容電路的零輸入響應(yīng)。當(dāng)脈沖電流突然撤走后,電阻R1和R2的電壓消失,電容C1和C2分別通過各自的阻容回路對(duì)R1和R2放電,C1和C2上的電壓逐漸減小,端電壓逐漸增大,1h后趨于平穩(wěn),即為放電完的開路電壓。公式可表示為:式(5)中的U01和U02為電容C1和C2零狀態(tài)響應(yīng)末時(shí)刻的值?？梢灾朗?4)中放電末時(shí)刻的端電壓為式(5)中初始時(shí)刻端電壓的值。當(dāng)式(5)中的t趨于無窮時(shí)兩式結(jié)合可以寫成:根據(jù)式(6)在Matlab/Simulink中建立磷酸鐵鋰電池等效電路的仿真模型,如圖5所示。3.2混合動(dòng)力輕型客車整車模型的建立圖6中波形為整車模型的動(dòng)力電池在NEDC循環(huán)工況下電池需求電流與時(shí)間的歷程?？芍姵卮蟛糠謺r(shí)間都處在較小電流的充放電狀態(tài)。SOC綜合算法模型在每間隔一段時(shí)間,當(dāng)電流在1~10A內(nèi)利用等效電路模型和開路電壓法估算當(dāng)前時(shí)刻的SOC,并替代原先安時(shí)計(jì)量法估算的SOC值,之后在修正值的基礎(chǔ)上繼續(xù)使用安時(shí)計(jì)量法。其中根據(jù)式(1)在Matlab/Simulink中建立安時(shí)計(jì)量法的仿真模型,如圖7所示。由于整個(gè)仿真過程為1200s,模型中設(shè)置每隔400s反復(fù)上述過程對(duì)安時(shí)計(jì)量法進(jìn)行修正。將上述模型嵌入混合動(dòng)力輕型客車整車模型中進(jìn)行仿真,得到如圖8所示的結(jié)果?？梢钥闯鯯OC綜合估算方法對(duì)安時(shí)計(jì)量法進(jìn)行了兩次修正,與實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果更為接近,提高了SOC估算精度。4整車模型的建立本文以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象,通過對(duì)鐵鋰電池進(jìn)行各種特性實(shí)驗(yàn),總結(jié)得出鐵鋰電池的等效電路模型以及SOC-OCV關(guān)系曲線,并在傳統(tǒng)安時(shí)計(jì)量法的基礎(chǔ)上,結(jié)合等效電路模型和開路電壓法提出了一種SOC綜合估算方法。并在Matlab/Simulink下采