劉 靜

(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000)

隨著國家和地方政策扶持，純電動(dòng)客車已在我國各個(gè)城市普及。利用車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)純電動(dòng)客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，是純電動(dòng)客車全生命周期內(nèi)安全運(yùn)行的有效保障。

本文基于對(duì)純電動(dòng)客車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對(duì)動(dòng)力電池特性分析，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論下的電池容量衰減模型，由于當(dāng)前國內(nèi)沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車用動(dòng)力電池容量衰減的極值作出要求，所以行業(yè)內(nèi)采用國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1］，即當(dāng)動(dòng)力電池容量衰減到額定容量的80%時(shí)，將不能滿足客車正常運(yùn)行，需更換電池。

1 動(dòng)力電池特性分析

純電動(dòng)客車安裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有安全性高、故障率少、體積小、能量密度大等特點(diǎn)，但是由于鋰電池本身的物理特性和化學(xué)因素，在車輛運(yùn)行中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)容量衰減問題。電池容量隨著使用時(shí)間的增加而減小、充電效率降低。磷酸鐵鋰電池容量衰減主要包含兩部分:一部分是電池在一定的充放電狀況下;另一部分是電池在存儲(chǔ)或擱置狀態(tài)下［2］。電池容量衰減情況受時(shí)間、電池質(zhì)量、沖放電倍率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等多方面影響，因此電池容量衰減雖有普遍性，但衰減情況各不相同［3］，因此電池衰減要從多維度進(jìn)行綜合分析計(jì)算。

在實(shí)際車輛運(yùn)行中，定期進(jìn)行電池容量檢測可以判定電池容量衰退程度，建立電池容量衰減模型，根據(jù)純電動(dòng)客車實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前電池容量衰減進(jìn)行預(yù)估，是最為經(jīng)濟(jì)可靠的方式。電池的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有電壓、電流、溫度等［4－5］。以某純電動(dòng)車型為例，該車型裝載202 Ah動(dòng)力電池組的充放電特性曲線如圖1所示。

圖1 放電特性曲線

由圖1可見，電池組電壓與充放電量并不完全是線性關(guān)系。電池容量值在70 Ah～150 Ah之間時(shí)，即電池SOC值在35%～75%之間時(shí)，電池電壓V與容量C基本呈線性關(guān)系:V=K·C，式中K為比例系數(shù)。

在其他區(qū)域，電池電壓與容量基本呈非線性關(guān)系。

因此利用ΔSOC和放(充)電量計(jì)算電池容量會(huì)有誤差。為減少計(jì)算誤差，本文利用SOC、電壓和電流間隨時(shí)間的變化規(guī)律，計(jì)算得出電池放電深度SOH，進(jìn)而換算得到電池容量衰減數(shù)據(jù)。

電池放電深度SOH，可表征當(dāng)前電池容量，計(jì)算公式為:

式中:C0為電池額定容量;Ct為電池當(dāng)前的實(shí)際容量。

根據(jù)鋰離子電池充放電的點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)，鋰電池容量衰減的原因中影響因子最大的是鋰離子電池阻抗的增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，阻抗和容量具有線性關(guān)系，那么 SOH 可用電池阻值來預(yù)估［6－13］:

式中:REOL為電池容量衰減到80%時(shí)的電池內(nèi)阻;Rt為電池當(dāng)前內(nèi)阻;R0為電池的初始內(nèi)阻。REOL和R0可通過實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，Rt無法通過測量獲得，需進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

2 實(shí)時(shí)內(nèi)阻計(jì)算

將動(dòng)力電池簡化為關(guān)于內(nèi)阻的電源模型，如圖2所示。

圖2 鋰電池內(nèi)阻模型

根據(jù)內(nèi)阻模型建立狀態(tài)方程:

在實(shí)際車輛運(yùn)行中，電池的開路電壓E很難直接測得，而由于鋰電池的化學(xué)特性，E不是一個(gè)固定不變的值，E在電池充放電過程中不斷變化。本文采用Unnewehr通用模型，得出E和SOC之間的變化關(guān)系。

式中:E0為車輛停車充電時(shí)電池充滿電后的電壓;Ft為待辨識(shí)參數(shù)，SOCt為電池當(dāng)前SOC值?？傻秘?fù)載電壓V公式:

根據(jù)電池實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)t為基于時(shí)間狀態(tài)的函數(shù)，函數(shù)參數(shù)為SOCt和電流I。根據(jù)電池實(shí)際運(yùn)營監(jiān)控參數(shù)可得出SOCt和電流I的函數(shù)關(guān)系:

利用電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出辨識(shí)參數(shù)Ft的函數(shù):

用結(jié)構(gòu)圖表述式(8)，如圖3所示。

圖3 算法結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)電池容量衰減的算法的效果，選定額定電壓為596.6 V，額定容量為202 Ah的純電動(dòng)客車動(dòng)力電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采集車輛實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為10 s/次，采樣數(shù)據(jù)2 000組，時(shí)長20 000 s，如圖4和圖5所示。收集動(dòng)力電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)測得電池初始內(nèi)阻14.05 mΩ，電池容量衰減至80%時(shí)內(nèi)阻為69.17 mΩ。

電池內(nèi)阻受電池工作溫度的影響，由于電池工作時(shí)溫度的變化，導(dǎo)致內(nèi)阻值不是一個(gè)固定值。電池內(nèi)阻隨溫度變化曲線如圖7所示。

圖4 電池放電電流曲線

圖5 電池放電SOC變化曲線

圖6 電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 電池溫度與內(nèi)阻變化曲線

計(jì)算利用電池采樣數(shù)據(jù)，得出電池內(nèi)阻平均值為14.92 mΩ。

根據(jù)內(nèi)阻計(jì)算平均值，由式(2)可得，此時(shí)電池放電深度SOH預(yù)估為98.45%，那么此時(shí)電池容量預(yù)估為198.86 Ah，當(dāng)前電池容量衰減比例為1.55%。

該車輛使用BDU在線電池PACK測試儀，對(duì)車輛的電池容量進(jìn)行測試，測得電池總能量118.9 kW·h。計(jì)算得到電池容量為199.30 Ah，測得電池容量衰減比例為1.34%。仿真結(jié)果與專業(yè)測試設(shè)備測試結(jié)果比較，衰減率相差0.21%，本文算法精度達(dá)99.78%。

4 結(jié)束語

由于動(dòng)力電池實(shí)時(shí)容量計(jì)算復(fù)雜，且內(nèi)阻不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，而電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中電壓、電流、SOC數(shù)據(jù)易于測得，本文發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)之間的計(jì)算關(guān)系，對(duì)電池容量衰減情況實(shí)時(shí)監(jiān)測有重要意義。