汽车电池soc估算方法研究

汽车电池soc估算方法研究

随着社会对汽车节能和环保的要求越来越严格，混合动力汽车已成为国内外的研究热点。而混合动力汽车中的动力电池作为整车动力能源之一,其性能和工作状态对整车而言至关重要。动力电池的荷电状态(SOC)是发动机和电机动力分配以及电池管理的一个重要依据,准确的SOC信息对电池的高效管理和整车性能提高有着重要意义。由于动力电池在使用过程中的高度非线性,SOC受到充放电流、内部温度、自放电、老化等因素的影响,使得车载动力电池SOC的精确估算具有很大难度。本文以业内看好的磷酸铁锂电池为研究对象,在研究磷酸铁锂的充放电特性后,提出一种磷酸铁锂电池SOC的估算算法。1u2009油路电压值的计算本文提出的车载电池SOC综合估算方法是将安时计量法、等效电路模型法和开路电压法相结合,在安时计量法的基础上,每隔一段时间通过实测电池状态信息,利用基于实验数据建立的等效电路模型计算出此时对应的开路电压值,再利用开路电压法基于实验建立的SOC-OCV(Opencircuitvoltage,OCV)关系曲线查出对应的SOC值,对安时计量法的计算值进行修正。车载电池SOC综合估算方法既考虑了安时计量法简单易用、算法稳定、目前应用最多的优势,又考虑等效电路模型在特定的数据输入范围内,有很好仿真效果的优点,同时结合由实验得到的SOC-OCV关系曲线。该方法既能克服安时计量法由于车载电池的电流测量欠准确、误差通过积分长期累积、SOC估算值将产生较大误差的问题,也可以克服一个等效电路模型不可能适用电池整个状态变化范围的不足,同时又可避免车载电池无法实时测量开路电压的情况。2磷酸铁粉池的套算方法2.1实验平台建设为了进行电池特性实验,本文采用高精度直流可编程电源IT6164、直流可编程电子负载IT8515C、SI7063高精度万用表搭建了研究实验平台。实验对象磷酸铁锂电池,其标称电压是3.2V,终止充电电压是3.65V,终止放电压是2.0V。经过大量的充放电实验和数据处理,整理得到磷酸铁锂电池OCV与SOC的关系曲线如图1所示,不同放电倍率下的电压曲线如图2所示,由此可得磷酸铁锂电池的库仑效率。2.2磷酸铁锂电池soc初始值考虑库仑效率和温度等因素,安时计量法修正为:式中:SOC0为初始SOC,根据测量磷酸铁锂电池的开路电压,查OCV-SOC关系,即可得到SOC初始值;h为库仑效率;C25为电池在25℃时的容量;α为温度系数;T为当前电池温度。公式中电流符号放电时为正,充电时为负。2.3铁锂电池效电路模型本文选择Thevenin模型作为电池的等效电路模型原型,并在该模型中增加了一个阻容并联环节,相比原模型,能更准确地描述铁锂电池的特性响应,等效电路模型如图3所示。2.4脉冲冲流电池特性在较小电流加载的工况下,此时电池近似满足线性化模型,可将某个时刻点之后的电压响应看成是在该时刻点的零输入响应与零状态响应的叠加。本文利用电池实验对不同的SOC值对应的等效电路参数进行识别。实验采用电池的激励信号是幅值3.33A、持续时间10s的脉冲电流,施加于单体磷酸铁锂电池,脉冲结束后再静置10min,其响应如图4所示。当撤除加载电流后,电压发生缓慢变化逐渐平稳。该段电压曲线即反映了电容C1和C2分别通过各自的阻容回路对R1和R2的放电过程,对于两个串联在一起的阻容并联环节零输入响应就可以写为:用最小二乘法拟合电压缓慢变化的那段曲线,可以求得τ1和τ2。电压下降部分的曲线可以看作是阻容电路的零状态响应。零状态响应可以写成Uc=U0(1-e-t/τ)。于是,两个阻容环节上的电压响应:把前面求出的τ1和τ2代入,再利用最小二乘法拟合电压下降部分的曲线,可以求得R1和R2,继而求得C1=τ1/R1,C2=τ2/R2。计算电池的欧姆内阻R0,只需要将图4中电压突变的压降除以给电池加载的电流即可。电容C0放电放走了部分电量,使得电池的SOC状态发生改变,进而引起相应的开路电压的变化。3磷酸铁粉池套泊套算法的模拟模型3.1放电前端电压的变化根据前面的实验可知,磷酸铁锂电池的放电过程可以分为二个阶段。第一个阶段是端电压下降的部分,引起这样变化的原因可以看成是双阻容电路的零状态响应,即电容C1和C2因电阻R1和R2具有电压而进行充电,电容C1和C2的电压与大容量电容C0的电压反向。电容C1和C2的电压逐渐增大,端电压U就呈下降趋势。用公式可表示为:式中:Uoc表示放电前的开路电压;U1=IR1;U2=IR2。第二个阶段是端电压缓慢变化的部分,引起这样变化的原因可以看成是双阻容电路的零输入响应。当脉冲电流突然撤走后,电阻R1和R2的电压消失,电容C1和C2分别通过各自的阻容回路对R1和R2放电,C1和C2上的电压逐渐减小,端电压逐渐增大,1h后趋于平稳,即为放电完的开路电压。公式可表示为:式(5)中的U01和U02为电容C1和C2零状态响应末时刻的值。可以知道式(4)中放电末时刻的端电压为式(5)中初始时刻端电压的值。当式(5)中的t趋于无穷时两式结合可以写成:根据式(6)在Matlab/Simulink中建立磷酸铁锂电池等效电路的仿真模型,如图5所示。3.2混合动力轻型客车整车模型的建立图6中波形为整车模型的动力电池在NEDC循环工况下电池需求电流与时间的历程。可知电池大部分时间都处在较小电流的充放电状态。SOC综合算法模型在每间隔一段时间,当电流在1~10A内利用等效电路模型和开路电压法估算当前时刻的SOC,并替代原先安时计量法估算的SOC值,之后在修正值的基础上继续使用安时计量法。其中根据式(1)在Matlab/Simulink中建立安时计量法的仿真模型,如图7所示。由于整个仿真过程为1200s,模型中设置每隔400s反复上述过程对安时计量法进行修正。将上述模型嵌入混合动力轻型客车整车模型中进行仿真,得到如图8所示的结果。可以看出SOC综合估算方法对安时计量法进行了两次修正,与实验所测结果更为接近,提高了SOC估算精度。4整车模型的建立本文以磷酸铁锂电池为研究对象,通过对铁锂电池进行各种特性实验,总结得出铁锂电池的等效电路模型以及SOC-OCV关系曲线,并在传统安时计量法的基础上,结合等效电路模型和开路电压法提出了一种SOC综合估算方法。并在Matlab/Simulink下采