yulzhu

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新能源汽车电池系统SOC范围选择

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某兄台的文章颇受好评,特此快马加鞭编辑这篇文章来谈谈新能源汽车电池系统的SOC范围选择。

荷电状态 SOC(State of Charge),在《电池手册Handbook of Batteries, 3rd Edition》中的定义为:

SOC=Q1/Q0 =电池可用容量/电池额定容量,电池可用容量和额定容量的百分比.

动力电池系统的SOC需要实现实时在线估算,因此电池的剩余容量多利用车载状态较容易测量的电流、时间、电压和内阻等参数输入预设的模型和算法中进行估算得到。

注:目前的SOC定义是针对电池单体,对于电池系统目前还没有较统一的定义,实际使用过程中,较简单的办法是将电池组等效为电池单体。为确保电池的安全性,常选用电池组中最差电池单体的SOC来表征电池组的SOC。

实际的BMS里面,一般对电池的实际容量,可用容量都要进行估算,特别是随着寿命进行变化的过程,Trick是一个BMS会有循环次数和过往数据进行辅助处理。

电池系统设计过程中,SOC使用范围的选择对电池系统的以下几方面有重大影响。

1)安全性

  • 安全性是系统设计首先考虑的因素

  • 混合动力的电池系统通常SOC区间一般会在中间部分,大多会在30%-80%,这样出现过充和过放问题的可能性较小。

注:现在的混合动力,往插电式的演进快速前进,电池大一些带来的成本问题,由于补贴、拍照和油耗积分等因素一下子局面反转了;因此当电动续航里程的强制要求下,上下限的SOC范围往往进一步被拉宽,带来的安全风险,容以后细表。

2)整车&电池性能

  • 电池系统的峰值充放电功率的需求选择SOC的使用范围(此处暂且不考虑冷启动的需求影响和传递效率问题)

    • 电机及电机控制器等负载的峰值放电功率要求 Pdis_max≥ Pl_peak,保证在其SOC使用范围内电池组的峰值放电功率应大于负载的最大功率需求。

    • 能量回馈过程的峰值充电功率要求 Pcha_max≥ Pr_peak ,为了尽可能多的接受回收的能量,应满足所设定的峰值充电功率要求

    • 峰值充放电功率所对应的持续时间

    • 电池系统在其SOC范围内必须满足负载的峰值功率要求。

对某电池系统建立SOC与其充放电10秒峰值功率的关系图,据充放电功率的要求,只有SOC在20%~50%才能满足系统所需的功率要求

  • SOC控制区间的选择还要根据整车工况能量需求确定

    • Step 1 梳理整车需求,爬坡、加速等

    • Step 2 计算最低可用能量

    • Step 3 筛选待选方案,选择不同规格的电池系统进行模拟仿真

    • Step 4 分析针对不同电源系统产生的油耗情况=>决定电池系统的最低可用能量

    • Step 5 依据动力系统的电压平台=>选择适当的总能量与SOC使用范围

    • 注:这个电压平台的事情,是综合考虑的,我曾问一位美国的工程师,丰田用DC-DC提升电压,为啥我们不用?他言及是部分人的想法,不想那个IGBT热应力导致很多车召回。真要做决策做系统分析,最重要的还是拿出更多的评测数据,然后进行分类和整理。

  • SOC使用范围的选择应考虑系统效率的最优区间

    • 电池系统,能量分别分配到电池系统内部阻抗和外界负载上,输出效率取决于电池系统内阻。

    • 电池在混合动力模式下用于功率调峰,应当经常工作在内阻较低的SOC范围内。

图为某款三元锂离子电池应用HPPC测试方法测得电池不同SOC下的功率分布,在SOC中间区域内阻较小,此区域内对外输出效率较高。

  • 效率是考核电池系统的重要指标,对整车来说系统能量效率越高越好。

  • 根据整车的应用工况,测试不同SOC范围内的能量效率,确定最大的能量效率下的SOC应用范围。

  • 通常充电和放电电压最平稳的阶段就是能量效率最好的区间=>充电或者放电电压不会有较大的变化能量效率最稳定,且较高。

    • 计算方法为:电压平台区,电压对时间求导得到倒数绝对值较小的区域

  • 不同的SOC区间,电池系统内各电池单体的一致性不同 =>尽量选择一致性较高区域,来保证较高的系统输出效率

    • SOC较高和较低的区域的电池参数的偏差较高

    • 中间区域的一致性偏差较低

  • 针对四个电池模组进行电压极差检测,电池在40%~80%的区域极差较小,电池一致性较高。

注:这块内容,用广义的来看,就是燃油经济性的系统性分析,电能损耗直接反映出来的就是油耗水平。

3) 电池系统寿命
对于电池系统而言,不同的SOC的使用区间对应不同的系统寿命。

  • 系统SOC区间越大,寿命越小,其循环寿命基本符合指数增长。

  • 但是如果单方面为了增长系统寿命而加大电池系统的能量,来减小SOC使用区间,对于系统成本和系统布置都会产生不利影响.

    • 考虑电池系统的成本接受程度=>成本变化对整车成本是个非常敏感的因素。

  • 相同的SOC使用区间,但是起始点不同的话,即同样的DOD(depth of discharge 电池放电深度)范围,相同SOC使用区间情况下的其系统寿命也存在差异。

  • 此处考察点就是对SOC均值的影响,在同样的△SOC=20情况下,针对不同的SOC均值(35%,45%,55%)的吞吐量与SOC的关系可以发现,均值越小,其寿命越长。

4)其他考虑因素

  SOC使用区间的选择中还需要考虑

  • 容量方面的需

  • 电池系统老化

  • BMS检测误差的影响等因素

总而言之,SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素,并且以上因素可能相互制约,只有在这些因素中找到平衡点,才可以获得的SOC使用区间的最佳方案。