動力電池管理系統(tǒng)核心控制策略開發(fā)

白國軍

(廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)具有發(fā)動機(jī)和電機(jī)兩個主要動力源，其動力電池儲存的電能比非插電式混合動力汽車電池儲存的電能多。文中應(yīng)用的動力電池為35 A·h磷酸鐵鋰電池,由于具有外接充電和幾十公里的純電動運(yùn)行能力，因此比非插電式混合動力汽車具有更低的排放，更低的油耗。SOC(State of Charge)估算[1]和充、放電許用功率估算是電池管理系統(tǒng)兩大核心功能，尤其是磷酸鐵鋰離子動力電池的SOC估算，一直都是業(yè)界的難點(diǎn)，是磷酸鐵鋰電池推廣應(yīng)用的瓶頸之一。本文作者進(jìn)行的磷酸鐵鋰電池的SOC估算和充、放電許用功率估算及其精度要求，具有重要的作用：(1)PHEV車輛SOC使用范圍寬，一般應(yīng)用區(qū)間為30%～90%，為防止電池單體過充電和過放電，必須提高SOC的精度，控制在±6%以內(nèi)。(2)解決冬季低溫問題。當(dāng)溫度低于-10 ℃時，為滿足整車的DC/DC、轉(zhuǎn)向助力、起動助力等必備功能的功率需求，對充電和放電許用功率的合理控制和SOC精確估算與否，將影響車輛的正常使用功能。(3)充、放電許用功率的實(shí)時準(zhǔn)確估算，也是整車控制進(jìn)行扭矩分配的重要輸入。因此，SOC和充、放電許用功率是插電式混合動力汽車電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

1 目前常用的SOC和充、放電許用功率估算方法

目前SOC的估算方法主要有卡爾曼濾波法、安時積分法、動態(tài)電壓修正法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[2-3]。常用的許用功率估算主要是利用試驗(yàn)方法測試許用功率曲線，電池管理系統(tǒng)利用查表法進(jìn)行功率讀取，以及利用電池電模型、電池?zé)崮Ｐ秃碗姵貎?nèi)阻等信息進(jìn)行充、放電許用功率估算等。

1.1 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來并廣泛應(yīng)用的濾波算法，其方法是利用前一刻的狀態(tài)估算值和實(shí)時采集的電池信息，修正當(dāng)前時刻的狀態(tài)值。在電池管理系統(tǒng)中，利用前一時刻的估算電壓值以及實(shí)時采集的電流和單體電壓值，來實(shí)時調(diào)整目標(biāo)SOC值。此方法目前在國外實(shí)際應(yīng)用較多，但國內(nèi)還沒有穩(wěn)定可靠的軟件可以用于實(shí)車測試。

1.2 AH積分法

AH積分法利用電流傳感器采集的電流值與時間的積分來計(jì)算SOC的變化量，再與初始的SOC值進(jìn)行累加。但是當(dāng)整車長時間運(yùn)行時，由于電流采樣存在較大累積誤差，會導(dǎo)致SOC估算出現(xiàn)較大的誤差，而且此方法嚴(yán)重依賴電流采樣的精度，對電流傳感器要求較高。

1.3 動態(tài)開路電壓修正法

此方法應(yīng)用也較為廣泛，例如北京航空航天大學(xué)的學(xué)者們在混合動力汽車的鎳氫動力電池SOC估算中采用此方法。但是此方法存在的較大問題是：對于鋰離子動力電池來說，動態(tài)的開路電壓值難以實(shí)時估算，尤其是磷酸鐵鋰的單體電壓平臺區(qū)，目前無法實(shí)時地估算得到動態(tài)開路電壓值。因此對于插電式混合動力汽車實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，目前沒有采用此方法。

1.4 充、放電許用功率估算方法

目前國內(nèi)常用的充、放電許用功率是在SOC的全范圍區(qū)間內(nèi)，利用試驗(yàn)設(shè)備測試其放電和充電功率的大小，做成對應(yīng)的曲線，電池管理系統(tǒng)利用查表的方法得到對應(yīng)的功率值。國外有些廠家的許用功率估算是利用電池電模型、電池?zé)崮Ｐ汀㈦姵貎?nèi)阻等信息進(jìn)行充、放電許用功率估算。僅僅利用試驗(yàn)測試出的功率曲線無法滿足整車的實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樵囼?yàn)過程沒有全面考慮整車的實(shí)際使用工況和各種不同的環(huán)境條件，因此有必要對車輛具體功率需求、電池狀態(tài)、外部環(huán)境等條件進(jìn)行綜合分析和考慮，得出完整的充放電功率估算策略。

2 磷酸鐵鋰電池SOC的估算策略

磷酸鐵鋰電池的SOC估算具有一定的難度，由于其開路電壓特性曲線平坦，其SOC估算精度一直是困擾PHEV應(yīng)用的難點(diǎn)之一。由供應(yīng)商開發(fā)的SOC估算誤差達(dá)到±20%左右。本文作者正是在這樣的背景下，開發(fā)磷酸鐵鋰電池的SOC估算方法。

經(jīng)過長時間的實(shí)車試驗(yàn)以及臺架試驗(yàn)，PHEV車輛的SOC估算，采用了以下3個估算策略：(1)電池總成長時間靜置情況下通過靜態(tài)判定電壓與SOC關(guān)系，動態(tài)調(diào)整SOC值；(2)AH積分方法；(3)車載充電機(jī)充電時進(jìn)行SOC修正。上述3個估算方法組成了一個系統(tǒng)的、完整的SOC估算和修正策略，文中的SOC估算整體流程如圖1[4]所示。

圖1 PHEV電池SOC估算整體流程

2.1 AH積分法

在車輛行駛過程中，此方案采用AH積分法，AH積分的原理見公式(1)

(1)

式(1)中：SOC為電池的剩余電量；SOC0為電池的初始電量；ic為充、放電電流，其中充電時ic為正，放電時ic為負(fù)。

采用AH積分方法對電流傳感器采樣精度有較高的要求，此方案選用的電流傳感器為分流器，其電流采樣精度可以達(dá)到±1%以內(nèi)。利用某城市工況對電池總成進(jìn)行臺架測試，經(jīng)過8 h工況循環(huán)，AH積分導(dǎo)致的SOC累積誤差控制在±3%以內(nèi)。

2.2 靜置時上電電壓修正法

如果僅利用AH積分法，SOC每天的誤差能夠達(dá)到±3%左右，整車經(jīng)過長時間的運(yùn)行，其累積誤差無法滿足整車控制和BMS控制的要求，為此引入了靜置情況下利用上電電壓修正SOC的方法。

此方法的核心是借鑒開路電壓修正，但由于實(shí)時的開路電壓值無法被實(shí)時估算到，結(jié)合車輛使用情況以及單體的電壓恢復(fù)速度，當(dāng)電池總成靜置時間較長時，將靜置時間設(shè)定為1 h，利用上電時采集的單體電壓值對SOC進(jìn)行上電修正。此方案設(shè)計(jì)的BMS具有下電后自動計(jì)時功能。文中的磷酸鐵鋰電池靜置后的單體電壓與SOC的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池靜置后單體電壓與SOC對應(yīng)關(guān)系

2.3 充電機(jī)充電SOC修正

PHEV轎車具有車載充電機(jī)，本文作者考慮充電SOC修正的主要原因有以下兩點(diǎn)：(1)當(dāng)實(shí)際SOC大于80%時，其單體電壓值的變化率比穩(wěn)定區(qū)間的變化率明顯增大；(2)此方案應(yīng)用的PHEV車輛其充電電流為5 A，對于35 A·h的電池總成來講，屬于小電流充電。

結(jié)合磷酸鐵鋰電池單體的開路電壓曲線特點(diǎn)，此方案選用當(dāng)電量不小于80%時，進(jìn)行充電SOC電壓修正策略，設(shè)置SOC分別為80%、85%、90%、100% 4個目標(biāo)值進(jìn)行修正。

3 磷酸鐵鋰電池充、放電許用功率估算策略

3.1 總體充、放電許用功率方案設(shè)計(jì)

充、放電許用功率值是整車實(shí)時控制扭矩輸出的重要輸入?yún)?shù)，也是PHEV動力電池進(jìn)行電量平衡控制的重要參數(shù)。此方案對許用功率的估算綜合考慮了整車與電池總成兩個層次的輸入：一方面，車輛上的DC/DC、轉(zhuǎn)向助力、換擋助力必須借助動力電池的功率輸出才能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能，否則對車輛低壓供電、整車平順性都會產(chǎn)生影響，這就要求在設(shè)計(jì)電池許用功率時考慮車輛的需求；另一方面，電池總成自身有自己的狀態(tài)和實(shí)際能力，因此許用功率的估算要充分考慮電池總成自身的能力以及目前是否處于故障狀態(tài)。

3.2 放電許用功率估算

3.2.1 放電許用功率曲線測試

放電功率曲線需考慮不同的溫度值，利用充放電試驗(yàn)設(shè)備測試其10 s持續(xù)的最大放電能力，BMS利用查表的方法讀取放電許用功率值。當(dāng)溫度在 -31～50 ℃范圍內(nèi)，總共有81個離散功率值。BMS根據(jù)采樣模塊的溫度信號，計(jì)算溫度的最大值tmax和溫度的最小值tmin，根據(jù)功率表，查詢tmax和tmin各自對應(yīng)的放電許用功率值，BMS選取兩個功率值中的較小值作為放電許用功率上報(bào)給整車控制單元(HCU)。 放電許用功率和溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 放電許用功率與溫度關(guān)系

文中僅對SOC小于25%的情況下，為保證電量平衡對放電功率進(jìn)行限制，限制的功率下限為10 kW。

3.2.2 電池狀態(tài)對放電許用功率的限制

當(dāng)電池總成在整車的使用過程中，出現(xiàn)單體電壓低報(bào)警(單體電壓不大于2.8 V)、放電電流過大報(bào)警(電池總成電流不小于160 A)、絕緣電阻低故障(電池總成絕緣電阻值不大于500 Ω/V)、SOC低報(bào)警(SOC<10%)、溫度高報(bào)警(tmax>60 ℃)、采樣故障時，電池管理系統(tǒng)控制放電許用功率按照5 kW/s的速度下降。當(dāng)對應(yīng)的報(bào)警和故障消失后，電池管理系統(tǒng)控制放電許用功率以2 kW/s的速度回升，如圖3所示。

圖3 電池報(bào)警和故障對放電許用功率限制示意

3.3 整車對放電許用功率的需求

由于PHEV整車低壓供電由DC/DC提供，同時為滿足整車平順性、坡路起動等特殊要求，必須保證對整車提供一定的最低放電許用功率。因此，當(dāng)電池管理系統(tǒng)采樣溫度低于-15 ℃時，結(jié)合整車標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用10 kW放電功率作為最低限值。充電許用功率溫度曲線如圖4所示。

圖4 充電許用功率與溫度關(guān)系

為保護(hù)電池單體，當(dāng)SOC高于90%時，禁止充電；其他SOC段的充電許用功率與圖4相同，僅受溫度控制。

3.3.1 低溫下充電功率的處理方法

結(jié)合PHEV車輛在東北地區(qū)冬季試驗(yàn)情況，為使PHEV車輛在低溫、低SOC下達(dá)到電量平衡，以滿足整車正常的功能需求，完善了BMS低溫下充電功率的控制。在滿足電池單體壽命的前提下，當(dāng)電池總成采樣溫度∈(-15 ℃，-10 ℃]時，充電許用電流控制在3 A以內(nèi)；當(dāng)電池總成采樣溫度∈(-20 ℃，-15 ℃]時，充電許用電流控制在1 A以內(nèi)。

3.3.2 電池狀態(tài)對充電許用功率的限制

當(dāng)電池總成在車輛使用過程中，出現(xiàn)單體電壓過高報(bào)警(單體電壓不小于3.55 V)、充電電流過大報(bào)警(電池總成電流不小于105 A)、絕緣電阻低故障(絕緣電阻值不大于500 Ω/V)、SOC高報(bào)警(SOC>90%)、溫度高報(bào)警(tmax>60 ℃)、采樣故障時，電池管理系統(tǒng)控制充電許用功率按照5 kW/s的速度下降，直到降至0 kW。當(dāng)對應(yīng)的報(bào)警和故障消失后，電池管理系統(tǒng)控制充電許用功率以1 kW/s的速度回升，如圖5所示。

圖5 電池報(bào)警和故障對充電許用功率限制示意

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 SOC臺架測試結(jié)果

文中的SOC策略開發(fā)完成后，經(jīng)過測試目前已經(jīng)應(yīng)用于某車型的動力電池管理系統(tǒng)中，并參與了東北的示范運(yùn)行項(xiàng)目。對電池總成進(jìn)行了總成SOC精度的臺架試驗(yàn)，試驗(yàn)SOC分別為15%、25%、35%、50%、70%，應(yīng)用圖6和圖7兩個工況進(jìn)行循環(huán)測試。

圖6 25%～70%SOC初始條件下的測試工況

圖7 15%SOC初始條件下的測試工況

利用充放電設(shè)備對電池總成進(jìn)行SOC調(diào)整，分別調(diào)整到SOC為15%、25%、35%、50%、70%，然后對每個SOC點(diǎn)進(jìn)行24個工況循環(huán)，循環(huán)完成后將電池總成靜置1 h以上，記錄BMS上報(bào)的SOC值。記錄完成后，將電池總成放電到截止電壓進(jìn)行容量檢測，BMS靜置后的SOC值減去容量檢測的SOC值即為SOC估算誤差。表2為SOC估算誤差結(jié)論。

表2 SOC精度臺架測試結(jié)果 %

通過表2可以看出，應(yīng)用文中的SOC估算策略，誤差可以控制到±9%以內(nèi)，雖然離±6%的要求還有差距，但基本能夠滿足整車使用要求。

4.2 充、放電許用功率測試結(jié)果

在電池和整車無故障情況下，只需要電池管理系統(tǒng)查詢存儲的充、放電許用功率值上報(bào)給HCU，結(jié)合該車型示范運(yùn)行的反饋，目前此功能工作正常，滿足整車要求。

圖8為發(fā)生電池放電電流過大情況時，在實(shí)車上利用CANOE采集的放電許用功率下降過程以及故障消失后功率回升的過程。從測試結(jié)果看，電池管理系統(tǒng)從控制上來講能夠滿足車輛最低功率10 kW的需求，且上升和下降速度均與設(shè)計(jì)一致。

圖8 實(shí)車測試電池故障情況下放電許用功率

5 結(jié)論

本文作者針對磷酸鐵鋰電池在PHEV轎車上的應(yīng)用特點(diǎn)，開發(fā)出對應(yīng)的SOC估算策略與充、放電許用功率控制策略。并且結(jié)合某公司相關(guān)項(xiàng)目，進(jìn)行對應(yīng)的總成臺架測試和實(shí)車測試，尤其是經(jīng)歷了冬季低溫實(shí)車試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)車出現(xiàn)的問題對SOC策略和充、放電許用功率策略進(jìn)行補(bǔ)充和完善。應(yīng)用文中的SOC估算策略后，SOC在全范圍內(nèi)誤差可以控制在±9%以內(nèi)，基本能夠滿足PHEV整車控制要求，充、放電許用功率在電池出現(xiàn)故障和正常情況下，均滿足整車要求。從最近半年示范運(yùn)行反饋結(jié)果看，目前所投放的電池總成故障率較低。

后續(xù)需要考慮充電許用功率在小于-20 ℃情況下的脈沖充電功能，考慮更大試驗(yàn)量時完善靜置條件下上電修正的電壓曲線。本文作者開發(fā)的控制策略易于實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，且經(jīng)歷了示范運(yùn)行的考驗(yàn)，對于開發(fā)三元材料的鋰離子動力電池管理系統(tǒng)具有一定的借鑒意義。