動力電池典型瞬時SOP預(yù)測方法

1、典型瞬時SOP預(yù)測方法瞬時SOP是指在下一時刻動力電池所能充電或者放電 的最大功率能力，瞬時sop估計方法主要包括以下四類:混合脈沖功率特性法(HPPC)。該方法基于動力電池 上下截止電壓，計算動力電池的瞬時峰值電流和功率。由 于算法簡單，廣泛應(yīng)用于車輛能量管理領(lǐng)域?；赟OC約束的預(yù)測方法。該方法基于許用最大和 最小SOC約束實現(xiàn)動力電池峰值電流預(yù)測，常與其他方 法組合使用。基于電壓約束的預(yù)測法。該方法克服了 HPPC法的不 足，考慮了峰值功率預(yù)測周期內(nèi)動力電池OCV的變化， 預(yù)測結(jié)果更為可靠。多約束動態(tài)法(Multi-Constrained DynamicMethod , MCD)。該方法

2、綜合多個約束變量，如端電壓、 電流、SOC等，實時預(yù)測動力電池系統(tǒng)SOP ;同時綜合 考慮電化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)、遲滯效應(yīng)等動態(tài)響應(yīng)特性對 SOP預(yù)測結(jié)果的影響。上述四種SOP預(yù)測方法的實施細節(jié)如下：1.HPPC 法HPPC法是在美國“新一代汽車聯(lián)合體”合作框架下由 愛達荷國家工程與環(huán)境實驗室提出的計算方法。該方法使 用Rint模型估計動力電池單體的SOP。動力電池系統(tǒng)中 每個單體的端電壓可以表示為)=-叫/(5-17)式中，下角m指的是第m個動力電池單體；Uoc,m：zm(t)是單體 m 在 SOC 為 zm(t)處的 OCV 值；iL,m(t) 為單體m的負載電流；Ri為每一個單體在充電或放

3、電時 的內(nèi)阻，其值的大小需根據(jù)電流方向而定。考慮到動力電 池端電壓受限于上下截止電壓的約束，單體m的充放電峰 值電流可以計算為 r(5-18)maiK pmjdihHPPC式中，Ut, max和Ut, min分別為動力電池的充電截止電-chg.HPPCdis, HPPC分別為壓和放電截止電壓； 單體m的峰值充電電流和峰值放電電流。假設(shè)動力電池組由n個單體組成，其中有ns個模組串聯(lián)，每個模組由np(5-19)個單體并聯(lián)組成，則動力電池組峰值功率可表示為Dtlis+/ r r -LhsHPPC Ra =nun (Gw9 1axM )fhHPPC法可預(yù)測動力電池系統(tǒng)的瞬時SOP，但是不能預(yù)測L x及

4、時間間隔的持續(xù)功率；另外所使用的Rint模型未能精確描述動力電池的動態(tài)電壓特性，導(dǎo)致預(yù)測的SOP 過大而引起過充電和過放電問題，進而威脅到動力電池的使用安全。因此，該方法有兩個主要缺點：不適于持續(xù)SOP的預(yù)測。忽視了電流、功率、SOC的約束，導(dǎo)致電池系統(tǒng)的 安全性受到威脅。.基于SOC約束的預(yù)測方法該方法基于動力電池使用過程中最大SOC或最小SOC 的限制獲得動力電池的峰值充放電電流，進而計算出動力 電池組的峰值功率。動力電池從當前某一時刻t開始，在 給定時間At內(nèi)以恒定電流放電（或者充電），第t + At 時刻單體m的SOC可表達為(5-20)式中，印為充放電效率?？紤]到SOC的上下限約束Z

5、max和Zm in ,單體m的充放電峰值電流為chj.SOC% （，）一丁心n4小(5 21)7 min則基于SOC的動力電池系統(tǒng)的峰值電流為 min/ *0。因此，在相同SOC條件下，由式(5-26 ) 計算出的峰值電流要小于式(5-18 ) 的計算值。與HP-PC 法相比，電壓約束 的方法考慮到SOC的變化，并且容許更長的采樣間隔At。但是，由于Rint模型的靜態(tài)性，該方法忽視了動力電池 動態(tài)極化和遲滯等特性對峰值電流的影響。.MCD 法基于第3章的結(jié)論，相比Rint模型，Thevenin 模型使 用RC網(wǎng)絡(luò)描述動力電池的動態(tài)電壓特性，能夠精確模擬 動力電池的極化、遲滯等現(xiàn)象，應(yīng)用于動力電

6、池的SOP 預(yù)測，將能夠進一步提升預(yù)測結(jié)果的合理性。由5.2.2節(jié) 可知，動力電池充放電過程中歐姆內(nèi)阻有一定的差異性， 在動力電池SOP預(yù)測工作站需要單獨考慮。本節(jié)將單獨 考慮充放電內(nèi)阻，改進第3章中的Thevenin 模型，其中 歐姆內(nèi)阻Ri由充放電內(nèi)阻Rchg和Rd is替換，如圖3-18所 示。 TOC o 1-5 h z i o +-+ 4_-I I f-CD4尺帕 D_ 此R山號以“圖5-18 改進的Thevenin 模型類似地，該模型也由三部分構(gòu)成：開路電壓Uoc、內(nèi)阻 和等效電容。內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻Rchg和Rdis ,以及極化內(nèi) 阻Rd,理想極化電容用于描述暫態(tài)響應(yīng)。Ud和Ur分

7、別是 流經(jīng)極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻的壓降。iD是流經(jīng)Cd支路的電 流。該模型的狀態(tài)空間方程為 - Ml .Ui(5-27)進一步離散化為1/口 + 4) =iu一十 Roll -(5-2式中，極化的時間常數(shù)可定義為產(chǎn)Rd Cd。與基于Rint模型的電壓約束法相似，基于改進模型的峰值電流計算為- t/Djto(Oe- - Ut.+ 長口( 1 一 e* ) + 用人1 min,fl?max+ %)(1 e-)+ 尺如HjnU)4(E)1chg.MCD 和 di號，MCD分別為用MCD計min 個“max, m算單體m的峰值充電電流和峰值放電電流。當動力電池放電時，極化電壓Ud0,充電時極化電壓Ud 0

8、的考慮，HPPC法預(yù)測的峰值電流也要大于基于電壓 約束法。然而，基于Rint模型的電壓約束法忽略了動力 電池的極化特性，而在MCD法中，由于放電時Ud0, MCD 法得到的峰值電流小于HPPC和電壓約束法。圖 5-20b 表明SOC約束法預(yù)測的峰值電流較大，當SOC接 近上下截止約束時，峰值電流迅速下降至合理約束區(qū)間， 而HPPC法和電壓約束法無法實現(xiàn)SOC邊界條件的峰值 功率約束，因此SOC約束預(yù)測法能夠與其他方法組合提 高SOP預(yù)測的可靠性。圖5-20C 表明由HPPC法預(yù)測的 充電峰值電流要小于電壓約束法得到的峰值電流，同樣， 這也是受到了？Uoc/?z的影響。圖5-20d 所示為基于改

9、進 Thevenin 模型的MCD法計算的充放電峰值電流曲線。在 SOC達到上限時，充電峰值電流會變小，而放電峰值電流 會增大。因此該方法能優(yōu)化電池的使用區(qū)間，延長電池的 使用壽命。同時，當電池在高倍率電流放電時，預(yù)測出的峰值放電能力會嚴重降低，而峰值充電能力會提高，這與動力電池真實的使用特點十分吻合。I* 11 IB IL .二一三-富二一w啟三二一引目運一00HPIK 山MC 口法 LiiiIi11n ,05001000 J 500200025003fl00350040004500時間3a )網(wǎng)。Mrk忌M鷺曰蝸15(10200025003000i50Ciippc1法* - jusRFHI

10、400。4 SOO時間長圖5-21瞬時SOP估計結(jié)果a)放電峰值功率b)充電峰值功率圖5-21a 所示為由HPPC法和MCD法計算出的放電過 程的SOP預(yù)測值，可見由HPPC法得到的放電峰值功率 明顯大于由MCD法得到的，這是因為HPPC法僅考慮了 動力電池電壓的約束，沒有考慮動力電池電流和SOC工 作范圍限制，以及忽視了？Uoc(z)/?z的影響，因此該方法 估計值偏大。此外，由于HPPC法忽視了 SOC設(shè)計限制，在實際使用時會導(dǎo)致嚴重的問題，該問題同樣也會出現(xiàn)在 持續(xù)峰值電流預(yù)測中；同時該方法也未考慮到動態(tài)極化效 應(yīng)，因此該預(yù)測方法可能導(dǎo)致動力電池組出現(xiàn)過放隱患。 與之不同，MCD法的顯著特點是在實時估計中考慮到了 模組的全動態(tài)特性，因此當出現(xiàn)大倍率放電時，端電壓會 產(chǎn)生突降，相比HPPC法而言，MCD 法預(yù)測的放電SOP 會較小。HPPC