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现代有轨电车混合动力技术的动力电池SOC评估难点解析

时间:2023-10-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:电池静态开路电压在一定程度上是电池SOC的集中表现。车辆电池组在使用一段时间以后,有时需要对个别性能特别差的电池进行替换,一旦进行替换,新电池与组内电池的不一致会使SOC的评估更加困难。驾驶人无法预知下一时刻的工作状况,这对剩余电量或SOC的评估造成了一定的困难:1)受多种因素影响,剩余电量并不能完全释放。

现代有轨电车混合动力技术的动力电池SOC评估难点解析

电池一致性是指同一规格型号的单体电池组成电池组后,其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。根据使用中电池组不一致性扩大的原因和对电池组性能的影响方式,可以把电池的一致性分为容量一致性、电压一致性和电阻一致性。

(1)电池状态监测不准确对评估造成的困难 剩余电量并非一个可以直接测量的值,而需要通过电压、电流等状态量的测量值来进行间接估算,但由于电池状态监测环节的误差是不可避免的,因此,电池剩余电量评估的误差也是不可避免的。电池状态监测的不准确性主要表现在两个方面:由传感器精度引起的状态监测不准确,以及由电磁干扰引起的状态监测不准确。

(2)电池的不一致性对评估造成的困难 动力电池在制造过程中,由于材料、工艺等各方面的差异,导致不同批次的电池之间,甚至同一批次的不同电池之间存在较大的差异性,这样的差异对电池剩余容量的评估造成了一定困难。原因主要在于以下两个方面:

1)样本与实际的不一致。目前的剩余电量评估算法基本上都是基于电池样本特性的,以样本的特性来类比实际工作中电池的特性。因此,样本电池与实际电池的不一致性,将会影响电量评估的精度。以下是两种常见的情况:

①采用电荷累积法评估电池的剩余电量,其容量不一致性就会导致评估不准。例如样本电池的容量是100A·h,而实际电池的容量为105A·h,那么当用CC方法算得某次实际过程中累计放出的电量为95A·h时,根据样本容量,剩余电量应该为5A·h,而实际电池的剩余容量是10A·h。

②采用开路电压法来评估SOC,其依据为电池样本的SOC-EMF曲线,即通过测量实际电池的开路电压,通过曲线反求实际电池的SOC值,然而,由于实际电池与样本电池的特性曲线的不一致性,用OCV法评估得到的SOC值将会存在误差。电池静态(电池静止1h以上)开路电压在一定程度上是电池SOC的集中表现。由于电池SOC在一定范围内还与电池开路电压呈线性关系,开路电压不一致也在一定程度上体现了电池能量状态不一致。

2)电池组内各电池不一致。在实际工作中,有以下三种情况值得注意:

①电池生产制造过程导致的不一致是动力电池不一致的直接原因。在制造过程中,由于工艺上的问题和材质的不均匀,使电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别,这种电池内部结构和材质上的不完全一致,就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数不可能完全一致。在电池管理系统中,如果对每个电池都进行评估,则需要耗费大量的时间。另外,如果对每个电池都进行较为精密的电压采样,则需要的器件费用较为昂贵。为了解决这两个矛盾,有些电池管理系统中仅对整个电池组内的若干个电池进行采样,从而推算出整个动力电池组的剩余电量。这种做法极大地节约了电池剩余容量的评估计算时间和器件成本,然而,由于组内电池存在一定的不一致性,其评估结果难免存在一定的误差。

②工作环境是导致电池的不一致性的间接原因。在电动车辆的工作过程中,由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响,在一定程度上增加的电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。由于电池在电池箱内的位置差异,各电池的吸热、散热状况不一致,而温度又将对电池的剩余电量乃至循环寿命产生较大影响。因此,在某一时刻,电池组内电池的剩余容量、健康状况都存在一定的差异。如果用统一的方法对剩余容量进行评估将造成较大的误差。(www.xing528.com)

一般地,电池组放电40%~50%时,电池处于放电电压平稳阶段,因此,电池电压一致性良好。在放电后期,蓄电池停止放电是由于极少数单体电池电压偏低,达到甚至超过单体电池放电终止电压。在此情况下,最高与最低电池单体电压差可达0.5V以上。若继续使电池组放电,电压较低的电池因没有能量可以放出而过放电,产生永久性损坏。

由于各电池单体间的不一致性和串联动力电池组的短板效应,在动力电池组的使用过程中,电池组的最大可用容量与单体的可用容量下降速度不同步,也将导致各单体的SOC状态各不相同,使电池组寿命和电池单体相比,明显降低。过充电或过放电都会对电池造成额外的损伤,致使动力电池的容量衰减加剧,此时的动力电池组寿命降低更加明显。

③个别电池替换后也容易产生电池的不一致现象。车辆电池组在使用一段时间以后,有时需要对个别性能特别差的电池进行替换,一旦进行替换,新电池与组内电池的不一致会使SOC的评估更加困难。

电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电,当并联组中某一节电池电压低时,其他电池将给此电池充电。这样,低压电池容量小幅增加,但同时高压电池容量将急剧降低,能量损耗在互充电过程中,造成达不到预期的对外输出。若低压电池和正常电池一起使用,将成为电池组的负载,影响其他电池的工作,进而影响整个电池组的寿命。所以,在电池组不一致明显增加的深放电阶段,不能再继续行车,否则会造成低容量电池过放电,影响电池组使用寿命。

(3)运行工况的不确定性对评估造成的困难 在车辆工作过程中,可能的工况是千变万化的。驾驶人无法预知下一时刻的工作状况,这对剩余电量或SOC的评估造成了一定的困难:

1)受多种因素影响,剩余电量并不能完全释放。例如,在实际工作中,若未来时刻需要放出的工作电流较大,则电池组实际可放出的电荷较少;反之,若未来车辆所需的工作电流较小,且工况稳定,则电池组实际可放出的电荷较多。除工作电流外,电池组的工作温度也将对电池可以释放的最大电荷产生影响。

2)在剩余电量—定的前提下,电池组实际可以放出的能量是不一样的。定性的情况是:电池工作温度不变,内阻维持不变,工作电流越大,电池组可以放出的能量就越少,车辆的续航里程就越短;同时,若电池的工作电流一定,工作温度越高,电池内阻越小,电池组可以放出的能量就越多,续航里程就越长。

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