雙電池組供電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用研究

李江江，錢麗娟

（1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南省新密市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)，河南 新密 452370）

雙電池組供電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用研究

李江江1，錢麗娟2

（1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南省新密市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)，河南 新密 452370）

電動(dòng)汽車單一供電的可靠性、穩(wěn)定性、冗余性已經(jīng)成為其安全運(yùn)行的重要影響因素，而雙電池組在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用已經(jīng)成為解決問題的關(guān)鍵。本課題通過對蓄電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，提出了蓄電池SOC修正經(jīng)驗(yàn)公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了修正經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性，從而使雙電池組在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用成為可能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法達(dá)到了國標(biāo)要求。

雙電池組；SOC；估算

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-25-03

引言

在動(dòng)力電池成為純電動(dòng)汽車推廣的最大阻礙的背景下，若是一味的追求新的高性能電池的出現(xiàn)對目前發(fā)展純電動(dòng)汽車來說并非明智之舉。對于提供動(dòng)力源的電池組來說，安全性、耐用性、放電容量以及快速充電均十分重要且缺一不可[1]。然而，汽車電池組的安全性、放電容量和耐用性又是相互聯(lián)系、此消彼長的，一方面的提高大多以犧牲其它方面為代價(jià)，這也是目前制約電池水平進(jìn)步的最大難題。但單獨(dú)的使用現(xiàn)有的電池作為車輛的動(dòng)力源會(huì)出現(xiàn)續(xù)航里程短的致命缺陷，盡管新型電動(dòng)汽車的最大續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到250km，但仍然無法滿足消費(fèi)者需求；對于單一電源供電，如果其中一個(gè)單體電池?fù)p壞，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組斷電，從而導(dǎo)致汽車無法繼續(xù)行駛，此種情況對于汽車的安全性、可靠性以及供電的冗余性來講是具有很大危害的。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前，世界各國生產(chǎn)的純電動(dòng)汽車大多數(shù)是由多個(gè)單體電池組成的單一電源供電的，而有些混合動(dòng)力汽車中經(jīng)常會(huì)加入超級電容器，表面上看也是雙電源系統(tǒng)，實(shí)則是復(fù)合電源，因?yàn)槌夒娙萜髟趪?yán)格意義上來講不屬于電源范疇[2]，并且在純電動(dòng)汽車上這種復(fù)合電源也未推廣過。本課題采用雙48V鉛酸電池組供電系統(tǒng)，其整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 基于雙電池組的純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

這里所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池部分利用雙電池組的智能切換技術(shù)，該套供電系統(tǒng)分為兩種工作模式：電動(dòng)模式和回饋制動(dòng)模式，雙電池組供電系統(tǒng)的電動(dòng)模式、回饋制動(dòng)模式分別如下圖2、圖3所示。

圖2 雙電池組供電系統(tǒng)的電動(dòng)模式

圖3 雙電池組供電系統(tǒng)的回饋制動(dòng)模式

2 雙電池組控制策略

閥控鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead Acid Battery，VRLAB）憑借其低廉的價(jià)格和成熟的技術(shù)使得其應(yīng)用場合最為廣泛[3]，而我國的許多低速純電動(dòng)汽車均采用它作為整車動(dòng)力源。這里選用8塊12V120Ah的駱駝鉛酸蓄電池6-DG-150，每4塊進(jìn)行串聯(lián)，形成兩個(gè)均為48V120Ah的電池組（即上述1#電池組和2#電池組）作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。

2.1 鉛酸電池的SOC

SOC是用來評價(jià)電池剩余電量狀態(tài)的重要指標(biāo)[4]，一般規(guī)定在一定溫度下將蓄電池充滿時(shí)的SOC定義為100%，而將蓄電池不能放出電量時(shí)的SOC定義為0%，在此兩者范圍內(nèi)SOC定義為：

式中：Qr—蓄電池的剩余電量；

QI—蓄電池以電流I恒定放電時(shí)的容量。

鉛酸蓄電池的SOC受溫度、放電率、充放電循環(huán)次數(shù)等因素的影響，所以若想提高蓄電池的使用壽命，就必須在使用蓄電池時(shí)保證其SOC處在一定的范圍內(nèi)（約10%～95%）。

2.2 修正經(jīng)驗(yàn)公式

2.2.1 鉛酸蓄電池充電實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室溫度23oC 下進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，采用駱駝鉛酸蓄電池6-DG-150，額定電壓12V，容量為120Ah，分別采用1/10、1/20、1/30充電率進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，每次充電記錄電池的端電壓和其相對應(yīng)的SOC值[5]。

圖4 不同倍率充電下端電壓與SOC的關(guān)系

圖4為電池在充電過程中，實(shí)際測得蓄電池的端電壓與SOC的關(guān)系曲線。對這3條充電曲線進(jìn)行擬合，得到了不同充電倍率下電池端電壓與SOC的經(jīng)驗(yàn)公式。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)，從而可知道不管充電電流怎么變化，其系數(shù)與充電電流的數(shù)學(xué)關(guān)系均可以找到。

不同充電倍率下SOCC與端電壓U的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

使用蓄電池在不同倍率下充電時(shí)，其端電壓與SOC的對應(yīng)關(guān)系可以對經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，考慮到數(shù)學(xué)關(guān)系式的復(fù)雜程度以及計(jì)算量的簡化，在MATLAB中采用 3階擬合可以得到：

1/10充電率下的SOC與端電壓U的經(jīng)驗(yàn)公式：

根據(jù)已經(jīng)得到的不同充電倍率（1/10、1/20、1/30）下的經(jīng)驗(yàn)公式，對其中的充電系數(shù)與充電電流的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，可以得到：

2.2.2 鉛酸蓄電池放電實(shí)驗(yàn)

同樣地，在實(shí)驗(yàn)室溫度23oC 下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，對上述同一蓄電池分別采用 5小時(shí)放電率C5、20小時(shí)放電率C20、30小時(shí)放電率C30進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，每次放電過程中記錄電池的端電壓與其相對應(yīng)的SOC值。

圖5為實(shí)測電池在放電過程中，測得的端與SOC的關(guān)系曲線。同理，對這3條曲線進(jìn)行擬合，得出不同放電電流下的電池端電壓與SOC間的經(jīng)驗(yàn)公式。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)，從而可知道不管放電電流怎么變化，系數(shù)與放電電流的數(shù)學(xué)關(guān)系都可以找到。

圖5 不同放電電流下的端電壓與SOC對應(yīng)關(guān)系

不同放電電流下SOCD與端電壓U的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

根據(jù)不同放電電流（C5、C20、C30）下的經(jīng)驗(yàn)公式，對經(jīng)驗(yàn)公式中的放電系數(shù)αDn(I)(n=0、1、2、3)與放電電流的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，可以得到：

2.3 系統(tǒng)控制流程

如果檢測得到的所有電池的SOC值均處于10%～90%，則認(rèn)為電池為正常狀態(tài)，否則進(jìn)行電池系統(tǒng)故障維修；當(dāng)電池SOC均處于正常狀態(tài)時(shí)，如果在電動(dòng)狀態(tài)下滿足了1#SOC＞2#SOC，那么這時(shí)需要閉合K1，斷開K2，使SOC值高的電池組供電；如果在制動(dòng)狀態(tài)下滿足了1#SOC＞2#SOC，那么這時(shí)需要閉合K2，斷開K1，使SOC值低的電池組充電。同理，當(dāng)1#SOC＜2#SOC時(shí)，開關(guān)切換恰與上述過程相反?？刂撇呗粤鞒虉D如圖6所示。

圖6 控制策略流程圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

利用蓄電池修復(fù)儀SF100-S對鉛酸蓄電池進(jìn)行變電流放電實(shí)驗(yàn)。電池放電前SOC=1，電壓為14.73V，隨機(jī)記錄蓄電池的端電壓和放電電流以及蓄電池容量，利用容量變化值換算出理論SOC值，再利用修正經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測SOC值，并與理論SOC值進(jìn)行誤差比較。其對應(yīng)的值及其處理結(jié)果見表1所示。

表1 放電實(shí)驗(yàn)對修正經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證

利用同樣的方法對上述蓄電池進(jìn)行變電流充電實(shí)驗(yàn)，電池充電前SOC=0.032，電壓為11.70V，隨機(jī)記錄充電過程中的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果見表2所示。

表2 充電實(shí)驗(yàn)對修正經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)分析可知隨著充放電電流的增大，相對誤差也在不斷地增大，但是誤差均在允許范圍內(nèi)，本課題提出的修正經(jīng)驗(yàn)公式解決了多變量情況下的SOC預(yù)測問題。

4 結(jié)論

本課題將雙電池組應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中，而雙電池組間的相互切換則是以各自SOC估算值的大小為依據(jù)的。在鉛酸蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了蓄電池SOC估算的修正經(jīng)驗(yàn)公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了修正經(jīng)驗(yàn)公式對蓄電池SOC值估算的結(jié)果符合國標(biāo)的要求，從而將雙電池組應(yīng)用到電動(dòng)汽車中成為可能，并增加了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

[1] 劉卓然,陳健,林凱等.國內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].電力建設(shè),2015,36(07)∶25-32.

[2] 徐和誼.關(guān)于汽車智能化發(fā)展的思考[J].時(shí)代汽車,2015(10)∶31-33

[3] 劉永琦.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2015(36)∶16-20.

[4] 蔡宗舉.電動(dòng)汽車用鉛酸電池SOC估算策略研究[D]. 天津大學(xué)2009.

[5] 李江江,陳富安.汽車用蓄電池充放電特性仿真與試驗(yàn)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015(08)∶89-91.

Research on electric car based on dual battery power supply system

Li Jiangjiang1, Qian Lijuan2
( 1.College of Electrical Engineering, Zhengzhou University of Science and Technology, Henan Zhengzhou 450064; 2. Xinmi Experimental High school, Henan Xinmi 452370 )

Reliability, stability and redundancy has become the important factors to affect the safe operation for Electric car of single power supply. Application of double batteries in electric car has become the key to solve the problem. This topic conducts the battery charging and discharging experiments, puts forward the battery modified empirical formula on SOC, and the reliability of the modified empirical formula is verified by experiment, which makes the application of the double batteries in electric cars to become possible, the experimental results show that the method has reached the national standard requirements.

Dual battery pack; SOC; estimate

U469.72

A

1671-7988 (2017)13-25-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.008

李江江，男，碩士研究生，助教，就職于鄭州科技學(xué)院，研究方向：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，電池管理技術(shù)等。