如何在微型混合動力汽車中有效實(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。對于一個(gè)新電池，它可能比標(biāo)稱容量稍高，對于已經(jīng)使用一段的電池來說，可用電量會降低。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：

●特定SoC的電池的可用總充電電量是已知的，包括舊電池。

●測試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的電池該值也會有所不同。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)會對電池使用造成不同的影響[5]。由于很難通過IBS逐個(gè)對這些老化效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和量化，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)是啟動性能； 但是它通常表述為啟動能力的功能狀態(tài)(SoF) (請參見第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。

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。