新型雙電池系統能量管理策略及電池循環壽命模型

周蘇+毛小宇+裴馮來

摘 要：針對雙電池系統（高能量型+高功率型鋰電池），在Matlab/Simulink Stateflow環境中模擬驗證了設計的基于規則的能量管理策略。通過Real-Time Workshop生成AVL Cruise軟件可調用的DLL文件后，實現了涉及雙電池系統充/放電過程的AVL Cruise/Matlab整車行駛工況聯合仿真。根據高能量型鋰電池的循環壽命測試試驗，考慮了充放電量、電池溫度和放電倍率的影響，提出了循環壽命經驗模型。在完成模型參數化之后，進行了對比分析，結果表明雙電池系統具有循環壽命優勢。

關鍵詞：雙電池系統；能量管理策略；聯合仿真；循環壽命模型

中圖分類號：U469.72文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.10

1 雙電池系統介紹

電動汽車的電池系統必須滿足一定的功率和能量要求，這兩個要求取決于車輛的動力系統結構形式和設計目標[1]。純電動汽車的主要設計目標是保證車輛的續駛里程，為其設計的大容量電池也必須能滿足功率要求。混合動力汽車上的電動機主要起輔助作用，以保證發動機能最大限度地工作在其高效區，其對電池的功率要求大于能量要求。插電式混合動力汽車既要充分利用其可利用外接電源充電的優勢，也要盡可能降低發動機的排放，其對電池的能量和功率要求介于純電動汽車和混合動力汽車之間。

現階段的電池按比能量（Wh/kg）和比功率（W/kg）可以分為能量型（High Energy，HE）與功率型（High Power，HP），如圖1所示[2]。

動力鋰電池在使用過程中應盡量避免電流過充，尤其當其電壓接近截止電壓時，瞬時高電流可能導致電池永久損壞。通過加大電池容量，可以提高電池抗過載能力。但是，大容量電池勢必會導致整車質量過大，影響整車動力性能。在雙電池的設計方案中，HP電池有助于提高電池組的瞬時脈沖放電能力而不增加電池組質量。其電氣結構如圖2所示[2]，HP電池直接與負載并聯，負載與HE電池之間的DCDC起到平衡電池與負載之間的電壓的作用，同時控制HE電池對外輸出能量。

2 雙電池能量管理策略

基于規則的能量管理策略既考慮了HE/HP電池的狀態，又考慮了駕駛員的行車意圖，根據一系列的規則使整車需求功率合理分配給兩類電池組[3]。

本文制定的能量管理策略如圖3所示。其中，P_dem代表整車需求功率，P_dem>0為電機工作在電動機狀態，P_dem<0為電機工作在發電機狀態；SOC_HE和SOC_HP分別代表兩種電池的荷電狀態（State of Charge，SOC）；P_HE_maxcha、P_HP_maxcha、P_HE_maxdis、P_HP_maxdis分別代表兩種電池的最大充放電功率，其值由對應的蓄電池功能狀態（State of Function，SOF）模塊計算。

3 聯合仿真

AVL公司開發的Cruise軟件是研究車輛動力性、燃油經濟性、排放及制動等性能的高級仿真軟件[4]。在該軟件中搭建的整車動力傳動系統模型如圖4所示。

在Cruise軟件中加載了新歐洲循環工況（New European Driving Cycle，NEDC），設定HE電池的初始SOC為100%，HP電池的初始SOC為60%。圖5～7為所選工況下車速、充放電電流、雙電池SOC隨時間的變化情況。由仿真結果可知，本文所制定的能量管理策略能使車輛滿足NEDC工況下的速度和加速度要求，實際車速能較好地跟隨目標車速。在完成一次NEDC工況后，HP電池的SOC波動不大。HE電池的最大輸出電流被限制在1 C，相對恒定的對外輸出能量。在車輛電制動系統工作時，HP電池會在其可承受的范圍內盡可能地吸收制動能量。

4 電池循環壽命

車用動力鋰電池實際使用后，電池性能會衰減，主要表現為電池容量減少[5]和電池內阻上升[6]。一般將電池壽命分為日歷壽命和循環壽命，本文主要側重于電池循環壽命和容量衰減。

4.1 循環壽命試驗

電池循環壽命測試試驗可以劃分為兩個階段，即加速老化試驗（Accelerated Aging Test，AAT）階段和參考參數測試（Reference Parameter Test，RPT）階段。本文設計的HE電池循環壽命測試重點研究放電倍率和電池溫度對電池循環壽命的影響，見表1，表中X表示有一塊電池處于該測試工況。

在AAT階段，8塊HE電池被分別置于10 ℃、25 ℃ 和40 ℃的恒溫箱中，分別以0.5 C、1 C和2 C的恒電流對電池進行放電測試。所有電池的充電均以0.5 C充電電流完成，在充電和放電之間需要使電池靜置30 min。

將一次充電和一次放電稱為一次測試循環，完成100次測試循環后，開始RPT測試。RPT測試主要是為了測試電池在經歷之前的加速老化測試后的電池性能，其中可以包括全充全放測試、混合動力脈沖能力特性（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）測試和電化學阻抗譜測試（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）[7]，見表2。所有電池的RPT測試均在25℃ 環境中完成，以排除溫度對測試結果的影響。

4.2 試驗結果

由于電池循環壽命測試需要較長的測試時間，取用的數據基于已完成的500次循環測試。

從測試結果圖8～10可以看出：電池容量在25℃和40℃測試條件下表現較為穩定，在10℃的測試環境中，電池容量在完成100次循環測試后損失了約7%；對比10℃和40℃的測試結果，低溫的環境更不利于電池的循環壽命。鋰電池在低溫和高溫環境下的老化機理不同[8]，低溫環境下的主要老化機理為鋰離子鈍化，高溫環境下的主要老化機理為固體電解質界面膜（Solid Electrolyte Interface，SEI）的分解與重新生成。

橫向對比各組測試數據可以看出，較高的放電倍率會加快電池容量的衰減。然而，在40℃的測試環境中，2 C測試得到的曲線高于1 C測試得到的曲線，與一般結論矛盾。出現這種情況的具體原因還有待研究。基于此，本文在分析電池循環壽命模型時，將暫不考慮40℃ -2C的測試數據。

4.3 循環壽命模型

電池的循環壽命在電池行業中一直備受關注，它不僅與電池性能有關，也與電池使用成本、安全性能相關。大量的研究人員對其展開了研究，John Wang[9]的模型中考慮了電池溫度和電池放電倍率對電池容量的影響，其基本形式為

。

式中，Qloss表示損失的電池容量，Ah；Qtotal為電池的充放電量，Ah；R為氣體常數；T為絕對溫度，K。John Wang將Qtotal的指數定為0.55，該值與電池負極SEI膜的生成有關。

Zhang Yancheng[7]將電池容量衰減細分為拋物線衰減和線性衰減兩個階段，電池中剩余的電池容量可由下式表示：

。

式中，Y為電池中剩余的電量，Ah；N為循環次數；kp和kl均為待定參數。

Stefan Kabitz[10]對比了以下兩種電池容量衰減模型：

。

。

式（3）和式（4）的對比結果表明，式（4）中項有利于提高模型精度。但是，精度的提高并不顯著，出于減少模型中自由參數的目的，可以省略該項。

美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）[11]將電池容量衰減的原因劃分為由于鋰離子損失和電極結構變化，如下式所示：

。

。

。

式中，QLi和Qsites分別表示由于鋰離子損失和電極結構變化而損失的電池容量，Ah。

綜合以上研究工作不難發現：在電池壽命初期，電池容量衰減速度較快；隨后，電池容量衰減相對緩慢。

基于已發表文獻和測試數據，本文提出的電池容量衰減模型為

，

。

式中，表示電池在經歷總量為Qtotal的充放電量后電池剩余的電池容量占初始電池容量的百分比，%；kcycle為電池循環壽命影響因子，它與電池溫度T和放電倍率Crate有關；q為待定指數；“…”表示該式可根據具體測試條件添加其它項。

在電池循環壽命測試中，一般以恒電流對電池進行充放電測試。然而，在實車工況中，電池的充放電電流與行駛工況和駕駛習慣等因素有關。為了將循環壽命模型應用到實車工況中，本文提出“分段累加法”，即將多次循環工況劃分了n個小循環工況，在每個小循環工況中，認為循環壽命的影響因素為恒定值，用以計算電池經歷該小循環工況后損失的電池容量。最后，將各個小循環工況中損失的電池容量累加，計算出電池經歷大循環工況后損失的電池容量，即

。

式中，為電池中剩余的電池容量，%。

4.4 模型參數化

基于測試數據和本文提出的電池容量衰減模型，以擬合度為優化指標，經優化計算可以得到相應的q和kcycle值。測試數據擬合結果見表3。

電池溫度對電池循環壽命影響因子的影響，如圖11所示。以25 ℃溫度為參考溫度，過高和過低的溫度都將不同程度地惡化循環壽命。電池循環壽命和電池溫度的關系可用二次函數描述。

放電倍率對循環壽命影響因子的影響，如圖12所示。電池循環壽命和放電倍率的關系可用三次函數近似描述。

在分析影響因子對循環壽命的影響時，NREL[11]將各個影響因子之間視為“獨立”，即。對比計算發現誤差為2.9%。雖然該誤差值較低，但是出于該測試尚未結束的考慮，本文將溫度和放電倍率這兩個影響因子視為“非獨立”。因此，影響因子kcycle可由下式表示：

利用測試數據和Matlab regress函數完成上式未知參數的計算，不同電池溫度和放電倍率工況下的kcycle值可用圖13表示。

4.5 對比分析

在AVL Cruise軟件中，同步搭建單電池整車仿真平臺模型，該單電池的模型參數與HE電池一致，其電池容量為66 Ah。將所有電池的初始SOC定為100%，雙電池仿真結束條件為HE電池SOC降至5%，單電池仿真結束條件為SOC降至30%，電池溫度恒定為25 ℃。單、雙電池續駛里程對比見表4。

由表4可知，雖然單、雙電池的電池容量相同，但裝配有雙電池的車輛在續駛里程上更有優勢。

利用Cruise仿真得到的電池充、放電電流數據，計算得到進、出電池電量、平均放電倍率記憶循環壽命影響因子kcycle，見表5。

在完成Cruise工況仿真后，按照電池廠商的規定，以0.5 C的充電倍率對電池進行充電。將Crusie仿真工況和0.5 C充電工況定義為一次完整工況，并利用“分段累加法”計算得到單、雙電池在達到EOL（End of Life，即電池實際容量衰減至初始電池容量的80%）之前所能提供的完成工況的循環次數，對比結果見表6。

在NEDC工況中，HE電池有5.38%的優勢；在FTP75工況中，HE電池能比單電池多提供13.99%的循環次數。

5 總結與展望

本文對雙電池系統進行了雙電池能量管理策略的設計。

（1）利用HP電池的“填谷去峰”作用，使HE電池的充放電功率能保持在一個合理的區間，以擴大HE電池的可利用SOC區間，提高能量利用效率。

（2）在HE電池的循環壽命測試數據的基礎上，考慮了充放電量、電池溫度和放電倍率對電池壽命的影響，提出了循環壽命經驗模型。

（3）將該模型應用到雙電池和單電池的壽命對比分析中，沒有考慮電池溫度的變化，也沒有考慮瞬時大電流放電對電池壽命的影響。相關工作有待進一步完善。

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