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長城汽車 | 規(guī)避電池包功率過放和過充的純電動汽車功率分配策略

2021-12-16 20:48:08·  來源：電動學(xué)堂  作者：劉喜明  
　
文章來源：長城汽車股份有限公司在識別車輛狀態(tài)和駕駛員操作意圖的前提下，按照整車工作模式劃分，制定一種功率分配策略，對車載高壓零部件間的功率需求進(jìn)行合理
文章來源：長城汽車股份有限公司
在識別車輛狀態(tài)和駕駛員操作意圖的前提下，按照整車工作模式劃分，制定一種功率分配策略，對車載高壓零部件間的功率需求進(jìn)行合理分配，在保證車輛平穩(wěn)、安全運行的前提下，達(dá)到電池包可用功率不過充、不過放的目的。
純電動汽車不同于燃油車或混動車，其可用功率（包含可用放電功率和可用充電功率）只能來自電池包。行車驅(qū)動中可用放電功率用于指示當(dāng)前電池包可提供的最大放電功率， 行車能量回收時可用充電功率用于指示當(dāng)前電池包可允許的最大充電功率。規(guī)避電池包過放和過充是對維持電池壽命的基本保障，電池包過放在一定范圍和時間內(nèi)是可以接受的，但絕不允許發(fā)生電池包過充的情況，因為電池包過充會導(dǎo)致析鋰，對電池包壽命產(chǎn)生不可逆的影響。
車輛上高壓零部件的需求功率和實際消耗功率，隨著車輛狀態(tài)和駕駛員的操作處在一直變化狀態(tài)，特別是當(dāng)電池包可用放電功率比較小，如何在空調(diào)舒適性的追求和驅(qū)動電機的動力性需求間取舍。
電池包可用功率
電池包可用功率是電池包SOC和溫度的二維函數(shù)，其關(guān)系見公式（1）


式中，P BMS_available 是電池包的可用功率；Temperture 是電池包的模組溫度。電池包模組溫度在一定范圍內(nèi)對電池包可用充、放電功率的影響是隨著電池模組溫度的升高，可用充、放電功率變大。模組溫度超過一定值后，電池包可用充、放電功率隨著溫度的升高而變小。電池包SOC對可用放電功率的影響是隨著SOC 的變大，可用放電功率變大，對充電功率的影響隨著SOC 變大，可用充電功率變小。電池包的可用充、放電功率如圖1 所示。


驅(qū)動時高壓零部件的功率限制
車輛上高壓零部件包含驅(qū)動電機、DC—DC 和高壓空調(diào)，這些高壓零部件工作時都需要從電池包獲取功率。因此，對高壓零部件設(shè)置優(yōu)先級是功率分配策略的前提。DC—DC 是為車輛小蓄電池充電以保證所有ECU 的供電正常，優(yōu)先級設(shè)置為最高。
驅(qū)動電機和高壓空調(diào)對功率的需求應(yīng)取決于駕駛員的需求，其優(yōu)先級是最難取舍的。設(shè)置驅(qū)動電機的優(yōu)先級高于高壓空調(diào)會發(fā)生低功率時空調(diào)零功率的現(xiàn)象，最直接的感受就是冬季標(biāo)定時油門踏板踩到底，空調(diào)吹冷風(fēng)，夏季標(biāo)定時空調(diào)吹熱風(fēng)，這種現(xiàn)象是駕駛員最不能忍受的；而設(shè)置高壓空調(diào)優(yōu)先級高于驅(qū)動電機會發(fā)生低功率時驅(qū)動電機零功率的現(xiàn)象，最直觀的感受就是空調(diào)工作時，踩油門踏板但車輛不走，駕駛員對這種現(xiàn)象勉強還可以接受。
本文在綜合了以上顧慮后提出一種新的功率分配優(yōu)先級，該優(yōu)先級在電池包可用功率不足時，可以兼顧高壓空調(diào)給駕駛員帶來的舒適性和驅(qū)動電機對行車的動力性需求。
1. 功率階梯劃分
以加速時間、最高車速和爬坡度為參考指標(biāo)，該指標(biāo)的仿真結(jié)果見表所示。


表中電機功率20 kW 時，最高車速仍可以達(dá)到110 km/h，爬坡度19%，考慮空調(diào)最大消耗功率8 kW，將電池包可用放電功率小于等于30 kW 作為功率不足階段1 的起始階段。此時出現(xiàn)驅(qū)動電機和空調(diào)舒適功率同時需求的情況時，以限制部分空調(diào)功率來滿足驅(qū)動電機的動力需求。
電機功率12 kW 時， 最高車速90 km/h， 爬坡度11.2%，將電池包可用放電功率小于10 kW 作為功率不足階段2 的起始階段。電池包可用放電功率低于此值時，完全犧牲空調(diào)功率來換取驅(qū)動電機的動力需求已意義不大。
2. 高壓空調(diào)的工作模式
高壓空調(diào)包含PTC（PositiveTemperature Coefficient） 和CMP（Compressor）兩部分，PTC的需求功率在0 ～ 8 kW，CMP 的需求功率在0 ～ 3 kW（以長城歐拉iQ 為例）。高壓空調(diào)的工作模式有如下3 種：制冷時，CMP工作，PTC 不工作；制熱時，CMP不工作，PTC 工作；除霜除霧時，CMP和PTC可以同時工作。為此，除霜除霧不激活時，定義為駕駛員對空調(diào)的舒適性需求；除霜除霧激活時，定義為駕駛員對空調(diào)的駕駛安全性需求。
3. 功率不足時空調(diào)舒適性需求功率限制
根據(jù)零部件（PTC 和CMP）工作特性，PTC 穩(wěn)定時的工作功率在2 ～ 3 kW，CMP 穩(wěn)定時的工作功率在1 ～ 2 kW。因此，結(jié)合電池包的可用放電功率階梯劃分，將空調(diào)的預(yù)留功率相應(yīng)劃分2 個階段。階段1 ：PTC預(yù)留功率3 kW，CMP 預(yù)留功率2 kW，雖然限制了車輛的舒適性功率，但還在駕駛員可接受范圍內(nèi)；階段2 ：PTC 預(yù)留功率2 kW，CMP 預(yù)留功率1 kW，在滿足駕駛員可接受的最低舒適需求后，剩余功率全用驅(qū)動電機。
4. 功率不足時空調(diào)駕駛安全性需求功率限制
空調(diào)駕駛安全在此特指除霜除霧功能，此情況下直接為空調(diào)預(yù)留5 kW 作為駕駛安全需求功率限制的底線。預(yù)留功率限制的邏輯如圖2 所示，驅(qū)動時整體的空調(diào)功率限制示意如圖3 所示。




圖3 驅(qū)動時的空調(diào)功率限制
5. 驅(qū)動時電機功率限制
驅(qū)動時電機的功率限制主要是指不同檔位下的電機最大功率限制、電機自身的功率限制和故障下的電機功率限制。
能量回收時高壓零部件的功率限制
能量回收階段時，電池包作為儲能單元，電機將動能轉(zhuǎn)換為電能輸送到電池包內(nèi)。電機不消耗功率反而產(chǎn)生功率用于空調(diào)負(fù)載的消耗，因此不涉及空調(diào)功率限制，只需要考慮電機的發(fā)電功率限制。電機的發(fā)電功率限制主要是以電池包可允許充電功率為輸入，附件考慮電機系統(tǒng)效率，其計算公式如下：


式中，P BMS_ContnsFBPowerMax 為電池包可允許充電功率；η 為電機系統(tǒng)效率。
分配策略
高壓零部件的功率限制僅僅是定義了高壓零部件所能獲取的最大功率，但實際工作過程中各高壓零部件不會一直工作在最大功率值。當(dāng)高壓零部件的實際消耗功率小于功率限制時，就需要將剩余的功率再分配到其他高壓零部件。
1. 整車可用功率計算
驅(qū)動時，整車可用功率名義上與電池包可用放電功率相同，但如果線損功率比較大時也需要考慮，此處根據(jù)車型的實際情況線損功率在30 W 左右。能量回收時，整車可用功率除電池包可用放電功率外，還會增加電機實際回收功率。電機實際回收功率計算公式如下：


式中，T 為預(yù)估的下一時刻轉(zhuǎn)矩；n 為電機的實際轉(zhuǎn)速；η為電機系統(tǒng)效率。
2. 電機預(yù)留功率
能量回收時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，不需要消耗功率，因此電機預(yù)留功率為0。驅(qū)動時電機的預(yù)留功率計算公式如下：


式中，T 為預(yù)估的下一時刻轉(zhuǎn)矩；n 為電機的實際轉(zhuǎn)速；η為電機系統(tǒng)效率。
3. DCDC 實際消耗功率
DCDC 消耗功率為DCDC輸入端電流和電池電壓乘積得到，計算公式如下：


式中，DCDC_HvActCurr是DCDC 高壓側(cè)的實際電流；BMS_BattVolt 是電池的端電壓。
4. 空調(diào)的額外功率值
當(dāng)電機的預(yù)留功率較小時，剩余的功率可分配給空調(diào)，以增加空調(diào)的功率限制，稱此部分功率為空調(diào)的額外功率值。計算公式如下：


式中，P Veh_availabe 為整車可用功率；P DCDC CnsmptnPwr 為DC—DC實際消耗功率；P MotPwr_Res 為電機預(yù)留功率。
策略的應(yīng)用驗證
策略以長城歐拉iQ 車型為應(yīng)用對象，策略集成在整車控制器內(nèi)，驗證結(jié)果如圖4 所示。


圖4 上， 空調(diào)未開啟， 電池包可用放電功率在5.2 kW 左右，電池包可允許的回收功率為15 kW ；驅(qū)動時在滿加速踏板開度下，電機驅(qū)動消耗的最大功率為4.5 ～ 4.611 kW ；DC—DC實際消耗功率在0.11 ～ 0.14 kW之間，再加上線損0.03 kW，實際消耗的總功率在4.8 kW 左右；
能量回收時，電池包可允許的最大回收功率為15 kW，不同車速下電機實際執(zhí)行的最大發(fā)電功率為12.43 kW。
圖4 下， 電池包可用放電功率10 kW，打開空調(diào)CMP 工作。驅(qū)動時在滿加速踏板開度下，電機驅(qū)動消耗的最大功率為4.04 ～ 5.2 kW 之間；DC—DC 實際消耗功率在0.65 kW左右，線損0.03 kW，空調(diào)實際消耗功率為2.3 ～ 3.4 kW之間，實際消耗的總功率在7 ～ 9 kW之間；能量回收時，電池包可允許的最大回收功率為15.4 kW，不同車速下電機實際執(zhí)行的最大發(fā)電功率為12.8 kW。
結(jié)論
實車數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，該功率分配策略最大限度地實現(xiàn)了對可用充、放電功率的利用率同時又規(guī)避了電池包功率過放和過充的問題。
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