基于某市典型公交循環(huán)工況的動力電池SOC變化規(guī)律研究

牛仁強(qiáng)　趙紅　劉鵬　趙英良??

摘要：電動客車動力電池的荷電狀態(tài)（SOC）的變換規(guī)律是電動汽車能量管理控制策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而動力電池SOC的變化規(guī)律又與其行駛工況緊密相關(guān)。本文依據(jù)循環(huán)工況采集標(biāo)準(zhǔn)，在某城市市區(qū)內(nèi)確定了15條典型的公交車行駛路線，并采用全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行實(shí)車跟蹤進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，通過定步長工況分析法，構(gòu)建了該市公交車的典型循環(huán)工況。然后在MATLAB中建立了電動客車鋰離子動力電池的Thevenin模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了基于典型城市循環(huán)工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為后續(xù)控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：城市循環(huán)工況；電動客車；鋰離子動力電池；SOC

本文利用車載全球定位系統(tǒng)（GPS）測試了該市公交車的行駛工況，通過對采集的到得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)算得到了市區(qū)公交車行駛工況的特征參數(shù)，然后構(gòu)建出公交車行駛工況，并在MATLAB中建立了電動客車鋰離子動力電池模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了基于該市典型城市循環(huán)工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為動力電池的保護(hù)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 該市典型循環(huán)工況的建立

目前，世界各國普遍采用一定時(shí)間段內(nèi)車輛的“速度時(shí)間”變化關(guān)系表征車輛的行駛工況，該方法要求“車速時(shí)間”關(guān)系的主要特征（怠速時(shí)間、最高車速、平均車速等）要盡可能反映實(shí)際道路的情況。其一般建立的方法流程是：首先對選定道路上的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際測試，然后按一定準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)提取并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析計(jì)算從而建立能反映實(shí)際道路情況的行駛工況。

本文采用全球定位系統(tǒng)（GPS）對選定路線的實(shí)際車輛進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，獲得了實(shí)際道路的測試數(shù)據(jù)，選取定步長的數(shù)據(jù)解析方法，用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析獲得了行駛工況的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行距離、最大速度、平均速度、加速度等行駛特征值，從而得到了高速和低速等不同速度區(qū)間的行駛工況，最終建立了該市城市典型公交循環(huán)工況。該循環(huán)工況總計(jì)行駛時(shí)間為20min20s，行駛總里程為5.90公里，最高車速60.2km/h，怠速時(shí)間368秒，怠速時(shí)間比例為28.5%。

2 電動客車鋰離子動力電池模型的建立

本文電動公交車的車載鋰離子動力電池模型采用目前廣泛應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)（BMS）的一階RC等效電路模型，該模型也叫做戴維寧（Thevenin）模擬模型。該模型在傳統(tǒng)歐姆內(nèi)阻模型的基礎(chǔ)上增加一階的容阻網(wǎng)絡(luò)，阻容網(wǎng)絡(luò)表示電池的模擬電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的極化特性，可以很好地表征電池的非線性特性。

本文選定的裝配鋰離子動力電池組和交流異步電動機(jī)純電動客車，其參數(shù)如表格所示。

3 MATLAB仿真計(jì)算

（1）整車行駛動力模型的建立。本文汽車行駛的動力學(xué)平衡方程和整車參數(shù)建立了純電動公交車的整車縱向行駛動力學(xué)模型。

（2）動力電池放電電流的計(jì)算。鋰離子動力電池作為純電動客車唯一的能量來源，必須滿足整車驅(qū)動功率和各附件的能量需求。根據(jù)試驗(yàn)道路和試驗(yàn)工況的要求，忽略坡道阻力，可知鋰離子動力電池在每一時(shí)刻所需要提供的功率，繼而可以計(jì)算出在該市典型公交循環(huán)工況下的動力電池的放電電流I，如公式（3）所示。

I=1Uηηe（mgfcosαva3600+CDAv3a76140+δmva3600dvdt）

其中，Pb為整車行駛需求功率，也就是動力電池的輸出功率；U為動力電池組兩端輸出電壓；I為動力電池組輸出電流；η為傳動系傳動效率；ηe為動力電池組效率；m為整車整備質(zhì)量；g為重力加速度；CD為汽車空氣阻力系數(shù)。

根據(jù)上述該市典型公交循環(huán)工況條件和車輛參數(shù)，在matlab中仿真計(jì)算整車需求功率和動力電池的放電電流的大小，最終計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

4 結(jié)果與討論

本文構(gòu)建了該市公交車的行駛工況，得到了基于該市典型城市循環(huán)工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為后續(xù)控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

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