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基于實車工況的電池管理系統(tǒng)SOC精度評測方法研究

2020-04-08 19:18:08·  來源：電動學堂  
　
作者單位：東風汽車有限公司東風日產(chǎn)乘用車公司技術中心引言動力電池一般具有容量較大、串并聯(lián)數(shù)量較多，且于安全性、動力性、可靠性、壽命等都有極高的要求。電
作者單位：東風汽車有限公司東風日產(chǎn)乘用車公司技術中心
 
引言
動力電池一般具有容量較大、串并聯(lián)數(shù)量較多，且于安全性、動力性、可靠性、壽命等都有極高的要求。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）作為新能源汽車動力電池系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅需要精確采集并運算電池狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)當前的電壓、電流、溫度等狀態(tài)綜合決策并實時進行故障診斷，確保動力電池工作在電壓及溫度的安全區(qū)域，同時它還需要適時均衡、參與熱管理等盡量保證電池循環(huán)耐久性能。另外，作為連接電池系統(tǒng)、整車系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的紐帶，它需要將電池系統(tǒng)的關鍵狀態(tài)與整車控制器及其他關聯(lián)的電子控制單元進行通信與信息交換，完成各高壓系統(tǒng)的工作協(xié)同。
荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）作為表征電池剩余容量的一個狀態(tài)量，其精確估算又是電池管理系統(tǒng)中最核心的技術之一，也是控制電池儲能系統(tǒng)能量平衡的基礎，其準確估算不僅可以有效預防過充和過放同時也是電池合理使用和有效維護的主要依據(jù)。電池管理系統(tǒng)SOC的估算精度對于新能源車輛的安全性與經(jīng)濟性有著重要的意義，因此，電池管理系統(tǒng)SOC估算精度的評測方法就顯得尤為重要，但是目前電池SOC無法通過直接測量，且電池系統(tǒng)運行過程中受到多種因素的綜合影響因此其精確估算是實際應用中的重點和難點。
1 SOC估算方法簡介
目前，各電池管理系統(tǒng)廠家、電池系統(tǒng)廠商甚至部分整車企業(yè)均已開始研究SOC的精確估算且較為成熟，基本的做法包括安時積分法、開路電壓法、基于電池模型的開路電壓法，或者是將幾種方法進行融合并加入一定策略的修正、卡爾曼濾波等。還有一些基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊邏輯算法等提出，這些研究通常假定電池系統(tǒng)工作環(huán)境穩(wěn)定，使用不同倍率的充放電實驗獲得了模型參數(shù)與SOC的關系進行設計。
總體來說，在工程運用上，安時積分法是當前簡單易行且應用范圍比較廣泛的估算方法，在電池系統(tǒng)充放電的過程當中通過對充放電電流與時間進行積分運算，從而較為準確地對SOC精度進行估算，但由于該方法對電流檢測精度依賴較高，但是該算法的不足之處：
①由于電流測量存在誤差，所以該方法長時間運行后容易累計誤差逐漸增大；
②且該方法無法給出初始SOC值，單純使用安時積分法無法滿足SOC的準確預估。
而開路電壓法在實際運用中電池系統(tǒng)在充分靜置后的開路電壓（Open Circuit Voltage，CV）與電池穩(wěn)態(tài)相當，該方法的優(yōu)點在于可以準確估計某一靜態(tài)的SOC，不足之處在于：
①要獲取當前的電壓狀態(tài)，需要將電池系統(tǒng)進行長時間的靜置；
②電池系統(tǒng)在充放電過程中電壓波動較大，不適合用于實時動態(tài)地估算電池系統(tǒng)運行過程中的SOC。
因此，許多廠家采用上述兩種方法相結合的方式來進行SOC估算，電池系統(tǒng)的初始SOC可以通過SOC-0CV曲線關系來確定，再通過采用高精度的電流傳感器減小累計誤差，實時地計算動態(tài)情況下的SOC。
2 SOC估算精度評測方法
一般用于評測SOC估算精度較為可靠的方法是在外加防止過放電及故障保護的狀態(tài)下，從滿電狀態(tài)開始進行放電測試，一般使用電池系統(tǒng)連接充放電機，以一定的放電倍率進行放電。這個方法的缺點是：
①一定的放電倍率工況過于簡單，忽略了持續(xù)大電流放電、循環(huán)充放電等較為車輛行駛過程中實際工況的復雜性和惡劣性，不能完全模擬電池系統(tǒng)在實際車輛上運行的狀態(tài)。
②電池系統(tǒng)的充放電狀態(tài)均在充放電機的控制下實施，未充分發(fā)揮BMS作為系統(tǒng)控制單元的作用，未能最大限度地模擬實車工況走行過程中與電子控制單元交互的情況。
另外，溫度對于鋰電池性能及安全性有著非常重要的影響。通常情況下，動力電池的高低溫性能與常溫相比會有所下降，因此溫度是SOC估算中不可回避的一個關鍵因素，直接影響著鋰離子電池運行工況下的容量和材料活性。因此，適當改變溫度，分別在低溫、常溫、高溫情況下對不同工況進行驗證可以更全面得考察SOC估算精度。
目前，SOC估算精度的主要的驗證方法是先將帶BMS的電池系統(tǒng)進行足夠長時間的靜置，按照既定的工況測定可用容量后，再按照既定的工況確認SOC分別接近80%和30%情況下的誤差修正速度和精度。這種方法的不足之處在于：
一方面未考慮整車行駛的實際復雜工況；
另一方面，只考察確認了兩個SOC點，尤其缺少對于電量比較低的時候的精度確認。
因此，本文提出一種綜合考慮實車工況中行駛的復雜性和溫度對電池性能的影響的一種評測方法，對新能源汽車在不同實車工況及不同溫度下進行從100%到0%SOC范圍內的估算精度進行評測，為將來優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的SOC估算驗證方法提供一定的理論基礎。
3 基于不同溫度下實車工況SOC估算精度評測方法
3.1 實車工況法
電動汽車在實際行駛工況中時常伴有頻繁加速，制動等復雜工況，導致動力電池工作環(huán)境惡劣，電池系統(tǒng)SOC變化較大。精確的電池SOC預估可以防止電池因過充電或過放電造成的不可逆損失。為明確行駛工況對電動汽車SOC的預估精度的影響，本文從實車走行過程中通過采集CAN數(shù)據(jù)選取了電動汽車典型的工況包括典型城市工況、高速工況、爬坡工況三種，并從這些工況中提出電池各性能參數(shù)，將各工況轉換成相應的功率數(shù)據(jù)。通過構建充放電過程均受控于BMS的電池包實驗臺架充放電機導人并在不同的溫度下，對電池包從滿電狀態(tài)進行放電至截止狀態(tài)，結合安時積分法和開路電壓法，全SOC范圍內對SOC估算精度進行驗證。其中：
①城市工況：是一條具有代表性的上下班工況，該工況最高速度為91.2km/h，平均速度為31.4km/h，具備頻繁的加減速過程，可考察電池系統(tǒng)循環(huán)充放電的惡劣情況。
②高速工況和爬坡工況：工況負荷變化范圍大，需要電池系統(tǒng)持續(xù)較大電流輸出，電壓波動較大，同時可以考察電池系統(tǒng)溫度升高對于SOC估算精度的影響。
將實車工況用于電池管理系統(tǒng)SOC估算精度的測評，與現(xiàn)行使用的工況相比，以上三種實車工況更接近于電動汽車的行駛工況；實車工況下頻繁的加減速等導致電流變化劇烈，對BMS SOC的計算提出了更高的要求，驗證也就更加具有實際意義。圖1圖6是三種典型實車工況及相應的電池輸出功率特性由線圖，功率為負時，代表電池系統(tǒng)處于加速、爬坡等輸出狀態(tài)，功率為正時代表電池系統(tǒng)處于能量回收狀態(tài)。
 
 
 
3.2 實驗臺架構成具體見圖7。
 
3.3 SOC估算精度計算方法
定義t為任意時刻，放電總時間為T，Qt為0至任意時刻t的累積放電量，Q為累積放電容量，Q補償為根據(jù)補償后的累積放電容量，Qt補償為任意時刻補償后的累積放電量，SOCt為某一時刻真實值，SOCBMS為EMS實時估算值，SOCStart為長時間靜置后使用SOC-0CV修正后的的起始荷電狀態(tài)，SOCEnd為使用SOC-0CV修正后的終止荷電狀態(tài)。
3.3.1 基于SOC-0CV的SOC修正方法
由于充放電過程中電壓動態(tài)變化，SOC值隨電壓變化明顯變化，通過長時間靜置可對SOC進行修正。假定某電池SOC-0CV有表1中所示關系：
 
根據(jù)上表SOC-0CV關系曲線圖參照下記公式可計算某一長時間靜置后的電壓飛相應的SOCx:
 
用上述方法計算可得電池系統(tǒng)的真實荷電狀態(tài)SQCStart，SQCEnd。
3.3.2 實際容量的修正方法
不同工況下由于電池受保護控制策略的影響，實際可放電容量偏小，如圖8所示：
 
因此計算累積放電量時，需要進行補償，補償公式如下：
 
3.3.3 SOC真實值的計算方法
1）累計放電容量公式
0至任意時刻t的累積放電量Qt為
 
0到T時間內的實際總放電量QT為
 
式中I-電池電流。
2）根據(jù)上述理論可知任一時刻的放電量也需要進行補償，補償公式如下：
 
3）任一時刻的SOC真值計算公式為：
 
3.3.4 SOC估算精度誤差計算方法
SOC估算誤差的計算公式為
 
4 實驗結果
4.1實驗對象及設備
本實驗對象為國內某廠家的結酸鋰電池和電池管理系統(tǒng)，實驗設備包括12V低壓穩(wěn)壓電源、繼電器控制開關、可編程充放電機和溫度可調的溫箱。電池的滿充電狀態(tài)定義為在慢充模式下充電，由電池管理系統(tǒng)主動停止充電即為充滿；電池截止狀態(tài)定義為在各個不同工況下，由電池管理系統(tǒng)主動請求停止放電即為截止狀態(tài)。
4.2 實驗步驟
實施本實驗時，首先獲取實車工況并將其轉換成充放電機可導人執(zhí)行的相應格式。電池系統(tǒng)實驗臺架搭建后，依次完成不同溫度與不同路況的組合工況的驗證。見圖9。
 
4.3 實驗工況矩陣 
為了綜合考察不同工況以及溫度的影響，設定實驗工況矩陣如表2所示：
 
4.4 實驗結果
實驗結果表明，低溫工況下SOC估算精度較差，以城市工況為例，10℃條件下誤差范圍達到4.2%，常溫和高溫情況下估算精度較好，最低為1.0%。各個工況實驗結果如表3和圖10所示：
 
5 結論
本文提出了一種利用電動汽車實際行駛工況，考慮瞬時大電流、循環(huán)充放電等影響的一種動力電池SOC的估算精度評測方法，具有較好的工程實踐與應用價值。實驗結果表明，基于實車工況的SOC估算精度評測方法對SOC估算精度的考察更為全面，為整車企業(yè)或電池系統(tǒng)企業(yè)針對SOC估算精度的評測提供了新的參考依據(jù)。
 
 
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