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电动车用镍氢电池SOC模型研究


电动车用镍氢电池SOC模型研究
陆勇
杨桃

(泰州春兰研究院江苏泰州225300)
摘要:通过对电动车用镍氢电池的开路电压、充放电电流、温度、自放电等因素的研究,建立 了一种适用于镍氢电池的荷电态数学模型,根据该模型进行荷电态的估算。在起始状态,采用开路
电压法,以及调用存储值,来估算初始电量;在过程中采用电流积分法,

并结合各种修正系数来估

算过程电量,有效地提高了荷电态估算的精度。该策略成功地应用于纯电动车和混合动力汽车镍氢
电池的管理系统中,电量估算误差小于7%。

关键词:电动车;荷电态(SoC);初始电量;过程电量
镍氢电池是目前最有应用的前景的电动车用动力电池,已成功地应用于纯电动和混合电动车,

其中混合动力城市客车已进入初步的商业运行。镍氢电池的荷电态(State

of

charge,简称SOC)

反映了电池所处的状态,是电动车整车管理中的重要控制参数。准确判断电池的SOC,对于电动车
的正常运行和电池的正确管理具有极其重要的意义。

1、常用蓄电池¥0G估算方法
蓄电池是一种非常复杂的电化学体系,估算电池的SOC一般是通过对电池的外部特性一电压、

电流、内阻、温度、充放电效率等参数的检测来进行的。常用的电池SOC估算方法有[1]:
1.1开路电压法 利用电池的开路电压与电池SOC之问的对应关系,通过测量电池的开路电压来估算SOC,该方

法简单直观。但电池的开路电压必须经过长时间搁置稳定后,才能较为准确地表征SOC,因此,开
路电压法只能用于静态的SOC估算,而不适用于动态下的SOC估算。 1.2电流积分法 电流积分法是通过计算电池在充电或放电过程中的电量来估算电池的SOC。该方法得出的是过 程中的电量变化,没有考虑电池的初始状态和其他因素的影响,因此不能单独地用于SOC的估算。

2、¥0G数学模型和估算策略
在电动车中,电池经常处于工作状态,使用工况非常复杂,单独使用开路电压法或者电流积分 法都不能准确地估算电池的SOC。鉴于开路电压法和电流积分法分别适用于电池静态和动态SOC的 估算,因此,如能将两种方法相结合,就能够较为准确地进行电池SOC的估算。
2.1

SOC的构成

电池在某一时刻的SOC值,是由初始的SOC与充放电过程中的SOC变化值之和构成的,可写成 如下公式:
SOC。=SOCo+ASOCi (1)

其中的SOCt代表了电池在t时刻的电量,SOCo是电池的初始电量,ASOC。是充放电过程中的电

量变化。
2.1.1初始电量的估算 电池初始SOC的估算可从两个方面考虑:

一是通过电池当前的开路电压来判断,电压恢复时间(电池充放电后搁置的时间)、温度和电池
的健康度(State 以上因素; 另一方面是以上次电池工作结束后系统中储存的SOC为基准,考虑搁置时间和自放电对SOE的 损失。
of

Health,s0H)等对开路电压有较大的影响,因此用开路电压估算电量应考虑

当搁置时间较短且电池电压未充分恢复时,由于此时的开路电压不能准确地反映电池的SOC, 可直接调用系统存储值作为初始SOC值;当电池的电压已经充分恢复,而搁置时间又不太长,自放
电对SOC的影响较小,此时以开路电压判断为宜:当电池搁置的时间较长时,应以系统储存的SOC

值为准,同时扣除自放电的损失。
2.L

2过程电量的估算

过程中的SOC估算采用电流积分法,根据电池充放电时实测的电流I,采用积分法计算其增减 电量电池充电时I取正值,电池放电时I取负值。电流积分法的主要误差在于充电和放电的效率。 电池的温度和充电电流、放电电流是影响充电和放电效率的主要因素。
2.2

SOC数学模型

通过以上分析,对初始SOC和过程SOC进行加和处理,建立SOC的数学模型,表达式如下亿1:
SOCt=Ks伽K,SOCo+(1一K,)Kdsoc.+KIcKMKT

eI(t)dt

(2)

其中:

SOC。——t时刻的SOC值; SOCo——开路电压对应的初始SOE值;

s吡——上次充放电结束后系统储存的SOC值;
K湖——电池健康度对应SOC的修正系数; K,——与电池搁置时间相对应的系数,搁置时间较短且电池电压未完全恢复,以及搁
置较长时间时取O,搁置一定时间且电池电压完全恢复后取1;

k——电池自放电对应SOC。的修正系数; K。。——充电电流对电流积分的修正系数,放电时其数值为1; K。。——放电电流对电流积分的修正系数,充电时其数值为l; K,——温度因素对电流积分的修正系数: I(t)——电池在t时刻的工作电流,充电时电流为正,放电时电流为负。 式中的前两项代表的是电池的初始电量,第三项是电池使用中的过程电量。初始电量中,l(!;明 表示电池健康度对开路电压和SOC之间的对应关系会有影响,而K,的数值决定了采用开路电压判别
或是直接调用系统存储值。当直接调用系统存储值时,根据搁置时问的不同,应考虑自放电对初始

121

SOC的影响。在过程电量中,充电电流和放电电流分别影响电池充电和放电的效率,同时还需考虑 温度对充放电效率的影响。 为确定模型中的各项修正系数,进行了大量的试验,并采用仿真分析的方法进行了研究,建立 了包括开路电压与SOC、不同充放电电流下的闭路电压与SOC、不同充放电电流的充放电效率、不同 温度下的充放电效率、SOC和搁置时间与自放电,以及健康度与SOC关系的数据库。根据不同的工
作条件,从数据库中调用相应的数据,对各项系数进行实时修正,提高了SOC估算的精度。
2.3

SOC估算策略



根据SOC模型,先进行初始SOC电量的估算。当电池管理系统上电初始化后,首先读取存储在
SRAM中的SOC数据,也就是电池上次工作结束后的SOC值,然后采集电池的电压、温度和搁置时间 等参数,根据模型中的方法进行SOC初始值的估算。当电池开始工作后,系统采集电池的电流、电

压、温度和时间等参数,采用电流积分法计算过程电量。通过初始电量和过程电量的计算,得出电
池的实时SOC,并进行输出。如果系统掉电(电池工作结束),系统自动将电池工作结束时的SOC值 存储到SRAM中,同时系统时钟开始计时,以便下次开始工作时初始电量的估算。 SOC估算策略的流程图如图1所示:




图1 SOC估算策略流程图 根据上述模型和策略,设计了Ev和HEV的电池管理系统,成功地应用在解放牌混合动力客车, 东风牌纯电动客车和混合动力客车上,经过模拟试验和实际跑车测定,SOC估算误差小于7%,说明 该模型和估算策略完全能够适用于电动车。

根据上述模型和策略,设计了Ev和HEV的电池管理系统,成功地应用在解放牌混合动力客车, 东风牌纯电动客车和混合动力客车上,经过模拟试验和实际跑车测定,SOC估算误差小于7%,说明 该模型和估算策略完全能够适用于电动车。

3、结论
通过对SOC构成的分析,从初始电量和过程电量两方面入手,建立了适用于电动车电池的SOC
模型,该模型能够准确地表征电池的SOC。根据该模型提出的SOC估算策略,由于充分考虑了各种

因素的影响,同时结合了开路电压法和电流积分法的优点,因此具有较高的估算精度,实用性强, 能够满足纯电动车和混合电动车的使用要求。

参考文献: [1]宫学庚,齐铂金,刘有兵,等. 电动汽车动力电池模型和SOC估算策略EJ].电源技术,2004,
28(10):633—634.

[2]宫学庚,齐铂金,刘有兵,等. 电动汽车动力电池模型和SOC估算策略[J].电源技术,2004。
28(10);635.

电动车用镍氢电池SOC模型研究
作者: 作者单位: 陆勇, 杨桃 泰州春兰研究院,江苏泰州,225300

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