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

經(jīng)過(guò)深入的分析和試驗(yàn)研究，選擇了一種綜合的電量估計(jì)模型。我們稱(chēng)之為四元模型：它以精確的安時(shí)計(jì)量為基礎(chǔ);充分考慮各種影響因素進(jìn)行補(bǔ)償;考慮電池不一致性對(duì)電量估計(jì)造成的偏差;對(duì)長(zhǎng)期的積累誤差考慮進(jìn)行自整定。

6.1安時(shí)積分法

安時(shí)法基于的原理較為簡(jiǎn)單。它是對(duì)電流實(shí)時(shí)進(jìn)行積分得到充入電池和從電池放出的電量。它對(duì)電池的電量情況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的記錄和監(jiān)測(cè)，從而能夠給出任意時(shí)刻電池的安時(shí)電量。該方實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單，受電池本身情況的限制小，宜于發(fā)揮微機(jī)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。但在有干擾時(shí)，積分值會(huì)產(chǎn)生偏差，因而要提高電流測(cè)量的精度和采取有效的濾波措施。

6.2電池安時(shí)積分模型的建立

我們的估測(cè)方法也是基于安時(shí)法，通過(guò)精確的安時(shí)計(jì)量來(lái)跟蹤電池的SOC，其間充分考慮了溫度補(bǔ)償、容量老化補(bǔ)償、自放電補(bǔ)償、充電率補(bǔ)償、放電率補(bǔ)償、不一致性影響。圖6.1是SOC估計(jì)框圖。

系統(tǒng)中SOC估計(jì)的核心在于精確的安時(shí)計(jì)量，電流I對(duì)時(shí)間t積分即為流進(jìn)流出電池安時(shí)數(shù)，記為Qused(當(dāng)放電時(shí)Qused為正，充電時(shí)Qused為負(fù))，在用當(dāng)前電池的剩余電量Qres減去Qused，即得出電池經(jīng)過(guò)充放電后電池所剩的電量，然后除以電池的總電量得出SOC值：

當(dāng)然由于影響電池的因素很多，導(dǎo)致電池的狀態(tài)不斷變化，這種不斷的變化相應(yīng)的影響了SOC的計(jì)量，而且由此造成的積累誤差可能越來(lái)越大，造成SOC值的不準(zhǔn)確。為此有必要研究影響SOC的因素，以減少這些因素所帶來(lái)的誤差。

6.3 SOC預(yù)測(cè)的補(bǔ)償

電池不是一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，它的電量會(huì)受到溫度、放電率、自放電、老化、不一致性等多種因素影響，其中有些因素對(duì)電量估計(jì)的影響很大，忽略這些因素將給電量估測(cè)帶來(lái)較大的偏差。因此剩余電量計(jì)量過(guò)程應(yīng)該考慮多種因素影響而不應(yīng)該是簡(jiǎn)單的累加。

首先我們規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)情況，包括標(biāo)準(zhǔn)溫度TS，標(biāo)準(zhǔn)放電電流IS，標(biāo)準(zhǔn)剩余電量QS。在試驗(yàn)過(guò)程中，我們定義標(biāo)準(zhǔn)溫度TS=20℃，標(biāo)準(zhǔn)放電電流IS=18A(即1C放電電流)，QS就是在標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)放電電流下電池所能放出的電量。

另外需要說(shuō)明的是，由于我們的研究對(duì)象是整組電池，所以要考慮電池組中性能最差的電池，以其性能作為電池組的性能參考依據(jù)。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)SOC誤差主要來(lái)源之一在于總電量的誤差，如下式：

其中Kn表示電池的標(biāo)稱(chēng)容量，Ia表示平均電流，T表示電池溫度，A表示電池的衰老因子。從上式可以知道電流、溫度、衰老因子是主要影響總?cè)萘康囊蛩?，以下我們將分?lèi)討論它們的補(bǔ)償技術(shù)

6.3.1充電率補(bǔ)償

根據(jù)電池廠深圳雷天公司提供的電池多輪充放電循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在充電過(guò)程中，實(shí)際上的充電效率大概在97%左右，因此我們?cè)赟OC估計(jì)中可取充電效率因子μ(SOC)=0.97.

6.3.2放電率補(bǔ)償

電池在不同電流下放電時(shí)所放出的電量是不同的。我們經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池容量同放電電流的關(guān)系基本如圖6.2所示。

對(duì)于容量修正，目前得到廣泛接受的是Peukert于1898年提出的經(jīng)驗(yàn)公式

式中I——放電電流(A) t——放電時(shí)間(h)

n——與電池類(lèi)型有關(guān)常數(shù)k——與活性物質(zhì)量有關(guān)常數(shù)。

為求常數(shù)n，k，用兩種放電率進(jìn)行放電，得

將n代入(16.a)即可求得k值，有了n和k值就可得任意放電率下的容量。

所以，在計(jì)算SOC時(shí)必須考慮放電率因素。由于電動(dòng)汽車(chē)用電池放電電流值并不恒定，有必要規(guī)定一個(gè)參考電流，在計(jì)算SOC時(shí)，將其他放電電流放出的電量折算到參考標(biāo)準(zhǔn)電流所放的電量，以消除不同放電電流對(duì)SOC值計(jì)算所帶來(lái)的誤差。