新能源混合動力汽車動力電池容量計算及SOC 控制

楊維剛， 楊志超， 張學鋒

(大運汽車股份有限公司技術中心， 山西 運城 044000)

新能源混合動力電動汽車 （插電或非插電） 具有高效節(jié)油、 續(xù)駛里程長等優(yōu)勢， 適合在自卸車等車型上應用。動力電池作為混動車的儲能元件， 對混動車的整車動力性能、 節(jié)油率及成本影響很大， 其中動力電池的容量大小是動力電池關鍵的性能參數(shù)。

動力電池容量計算、 選型與電池SOC控制有著密切的關系， SOC的控制要基于動力電池的容量進行， 動力電池的容量是否滿足整車動力性能的要求， 必須依靠SOC的控制策略來實現(xiàn)。 本文以一款并聯(lián)混合動力自卸車實車開發(fā)為例， 介紹動力電池的容量計算及SOC控制方法， 實車試驗數(shù)據(jù)驗證了理論計算的結(jié)果。

1 并聯(lián)混合動力汽車能量控制策略

基于規(guī)則的邏輯門限能量管理策略是一種成熟的控制策略， 并聯(lián)混合動力電動汽車普遍采用基于規(guī)則的邏輯門限能量管理策略設計， 該策略控制方法分為電力輔助型控制策略和SOC、 轉(zhuǎn)矩平衡式控制策略。 電力輔助型控制策略主要思路是： 主驅(qū)電機根據(jù)車輛運行工況對發(fā)動機輸出功率進行削峰填谷， 使發(fā)動機工作在優(yōu)化的工作區(qū)， 同時將動力電池的SOC保持在一定范圍內(nèi)。 SOC、 轉(zhuǎn)矩平衡式控制策略的依據(jù)是發(fā)動機效率MAP圖， 控制的目的是發(fā)動機工作在高效區(qū)， 取消發(fā)動機的怠速運行工況， 在低速低負荷時由電機驅(qū)動車輛運行， 同時監(jiān)控動力電池的SOC值，對動力電池進行充電。

根據(jù)上述控制策略， 為了提高并聯(lián)混合動力汽車的節(jié)油率， 降低整車燃油消耗和減少排放， 通過以下具體措施實現(xiàn)： ①回收利用車輛制動時的回饋制動能量， 儲存在動力電池里； ②控制發(fā)動機在高效區(qū)工作， 工作狀態(tài)不在高效區(qū)的， 由驅(qū)動電機補償或吸收功率， 動力電池提供電能或儲存電能； ③取消發(fā)動機怠速運行工況或低速低負荷低效率工況， 由電機驅(qū)動， 動力電池提供電能。 動力電池的容量計算選型及SOC控制主要圍繞上述措施進行。

2 動力電池容量計算

根據(jù)上文所確定的動力電池功能及能量控制方案， 動力電池的容量要滿足以下需求： ①取消發(fā)動機怠速工況，或車輛低速、 低負荷、 低效率工況時， 車輛純電動模式運行需要的電能； ②為使發(fā)動機在高效區(qū)運行， 驅(qū)動電機補償或吸收發(fā)動機功率需要的供電或儲能需求； ③車輛制動工況時， 滿足儲存回饋制動能量的需求。 其中制動工況只考慮車輛在平路制動的能量回收， 對于長大下坡時的制動能量回收， 需要特殊考慮， 開發(fā)專用車型。

并聯(lián)混合動力汽車只有在市區(qū)或市郊工況運行才能發(fā)揮出節(jié)能減排的優(yōu)勢， 車輛運行工況對動力電池容量計算影響很大， 本文以 《GB/T18386 電動汽車 動力消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》 附錄B所提出的NEDC工況為基礎進行仿真計算， 其他不同工況可參照本文進行。

2.1 車輛起動純電動運行時動力電池消耗的能量

1） 車速計算公式

式中： n——發(fā)動機或電機轉(zhuǎn)速， r/min； v——車速，km/h； i——主減速器傳動比； i——變速器傳動比； r——輪胎滾動半徑， m。

2） 阻力計算公式

式中： F——車輛總阻力， kN； η——傳動系統(tǒng)效率；k——電機&控制器效率； m——整車滿載質(zhì)量， kg； g——重力加速度， 取9.8m/s； f——滾動阻力系數(shù)； C——空氣阻力系數(shù)； A——迎風面積， m。

3） 車輛起動加速時消耗的能量

式中： E——動力電池消耗的總能量， kWh； E——車輛加速產(chǎn)生動能所消耗的能量， kWh； E——阻力所消耗的能量， kWh。

式中： m——整車滿載質(zhì)量， kg； v——起始車速，km/h； v——終止車速， km/h； s——行駛距離， m； a——加速度， m/s； F——輪邊驅(qū)動力， N。

2.2 車輛回饋制動，回饋給動力電池的能量

式中： E——動力電池回饋的總能量， kWh； E——車輛動能所產(chǎn)生的能量， kWh； v——車輛停止回饋制動的最低車速， km/h。

2.3 動力電池容量計算

1） 車輛一個啟動制動循環(huán)需要消耗動力電池的能量

式中： E——附件消耗的能量， kWh； P——附件功率， kW。

2） 動力電池容量計算

國標 《GB/T18386 電動汽車 動力消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》 附錄B中， 每個NEDC循環(huán)由4個市區(qū)循環(huán)和1個市郊循環(huán)組成， 4個市區(qū)循環(huán)工況的周期很短， 啟動和制動只能消耗動力電池能量， 發(fā)動機無法給動力電池充電； 市郊工況下， 發(fā)動機持續(xù)工作時間長， 給動力電池補充電量。

本文計算動力電池容量的前提， 是在一個NEDC周期內(nèi)， 動力電池電量保持平衡， 且動力電池SOC在40%~65%區(qū)間波動。 按照每個NEDC循環(huán)有13次啟動和制動， 計算的蓄電池容量如下：

式中： μ——電池充放電效率。

2.4 并聯(lián)混合動力自卸車動力電池容量計算實例

2.4.1 并聯(lián)混合動力自卸車技術參數(shù)

為進行新能源混合動力汽車研究， 我們開發(fā)了一款6×4新能源混合動力自卸車， 整車及零部件具體參數(shù)如下： 整車最大總質(zhì)量25000kg； 發(fā)動機標定功率275kW， 轉(zhuǎn)速1900r/min； 發(fā)動機最大扭矩1800Nm， 轉(zhuǎn)速1000~1400r/min；發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速600 r/min； 后橋減速比5.262； 變速器12擋， 速比12.10， 9.41， 7.31， 5.71， 4.46， 3.48， 2.71， 2.11，1.64； 輪胎半徑0.545m； 驅(qū)動電機額定功率105kW， 峰值功率200kW； 驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速1078r/min， 峰值轉(zhuǎn)速3000r/min；驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩930Nm， 峰值轉(zhuǎn)矩2100Nm； η傳動系統(tǒng)效率0.88； f 滾動阻力系數(shù)0.01； A迎風面積7m； CD風阻系數(shù)0.7； 附件功率5kW。

2.4.2 動力電池SOC控制策略

動力電池SOC按照40%-65%控制， 當SOC接近40%時，整車控制器HCU減少電機電驅(qū)動功率， 增大電機發(fā)電充電功率。 當SOC接近65%時， HCU增大電機電驅(qū)動功率， 減小電機發(fā)電充電功率。

當SOC低于20%時， HCU輸出給MCU的驅(qū)動扭矩小于0，防止消耗動力電池電能。 當SOC低于15%時， HCU發(fā)出SOC低報警， 停止DCDC、 空調(diào)、 電動油泵等用電設備工作， 防止SOC過低。

SOC低于5%時， HCU允許輸出負扭矩， 使驅(qū)動電機發(fā)電運行給動力電池充電。

正常情況下， 車輛起步擋位為4擋。

2.4.3 并聯(lián)混合動力自卸車動力電池容量計算

按照上述公式及并聯(lián)混合動力自卸車技術參數(shù)， 計算不同車速、 油門開度的情況下， 動力電池的計算容量。 表1~表3分別為油門踏板50%、 70%、 100%開度時計算的數(shù)據(jù)。

表1 油門踏板50%開度時計算的數(shù)據(jù)

表3 油門踏板100%開度時計算的數(shù)據(jù)

從表1、 表2、 表3可以看出， 動力電池容量的選型與純電運行的車速、 油門踏板開度相關， 混合動力車純電動運行車速高， 需要的動力電池容量大； 油門踏板開度大， 需要的動力電池容量小。

表2 油門踏板70%開度時計算的數(shù)據(jù)

根據(jù)上述計算結(jié)果， 我們選用了一款標稱容量為26.5kWh， 標稱電壓為529V的錳酸鋰電池。

3 項目驗證

新能源并聯(lián)混合動力自卸車試制、 調(diào)試完成后， 先后進行了轉(zhuǎn)轂臺架試驗、 路試試驗。 轉(zhuǎn)轂試驗按照NEDC工況法進行， 試驗數(shù)據(jù)曲線見圖1， 從圖中可以看出， 在NEDC循環(huán)過程中， SOC波動范圍沒有超出設定的40%~65%范圍，符合設計要求。

圖1 試驗數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)語

新能源混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和設計計算復雜， 涉及到發(fā)動機、 驅(qū)動電機、 控制系統(tǒng)、 動力電池、 變速器、 離合器等多個系統(tǒng)和設備。 同時各系統(tǒng)的計算選型與整車的架構(gòu)和控制策略密切相關。 本文主要探討動力電池的設計計算選型， 實車驗證了動力電池設計計算結(jié)果。