雙電池組供電系統在電動汽車中的應用研究

李江江，錢麗娟

（1.鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州 450064；2.河南省新密市實驗高級中學，河南 新密 452370）

雙電池組供電系統在電動汽車中的應用研究

李江江1，錢麗娟2

（1.鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州 450064；2.河南省新密市實驗高級中學，河南 新密 452370）

電動汽車單一供電的可靠性、穩定性、冗余性已經成為其安全運行的重要影響因素，而雙電池組在電動汽車中的應用已經成為解決問題的關鍵。本課題通過對蓄電池進行充放電實驗，提出了蓄電池SOC修正經驗公式，并通過實驗驗證了修正經驗公式的可靠性，從而使雙電池組在電動汽車中的應用成為可能，實驗結果表明該方法達到了國標要求。

雙電池組；SOC；估算

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

引言

在動力電池成為純電動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對目前發展純電動汽車來說并非明智之舉。對于提供動力源的電池組來說，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系、此消彼長的，一方面的提高大多以犧牲其它方面為代價，這也是目前制約電池水平進步的最大難題。但單獨的使用現有的電池作為車輛的動力源會出現續航里程短的致命缺陷，盡管新型電動汽車的最大續航里程已經達到250km，但仍然無法滿足消費者需求；對于單一電源供電，如果其中一個單體電池損壞，就會導致整個電池組斷電，從而導致汽車無法繼續行駛，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 動力系統方案設計

目前，世界各國生產的純電動汽車大多數是由多個單體電池組成的單一電源供電的，而有些混合動力汽車中經常會加入超級電容器，表面上看也是雙電源系統，實則是復合電源，因為超級電容器在嚴格意義上來講不屬于電源范疇[2]，并且在純電動汽車上這種復合電源也未推廣過。本課題采用雙48V鉛酸電池組供電系統，其整體設計框圖如圖1所示。

圖1 基于雙電池組的純電動汽車系統結構框圖

這里所設計的純電動汽車的動力電池部分利用雙電池組的智能切換技術，該套供電系統分為兩種工作模式：電動模式和回饋制動模式，雙電池組供電系統的電動模式、回饋制動模式分別如下圖2、圖3所示。

圖2 雙電池組供電系統的電動模式

圖3 雙電池組供電系統的回饋制動模式

2 雙電池組控制策略

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

2.1 鉛酸電池的SOC

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

式中：Qr—蓄電池的剩余電量；

QI—蓄電池以電流I恒定放電時的容量。

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

2.2 修正經驗公式

2.2.1 鉛酸蓄電池充電實驗

在實驗室溫度23oC 下進行充電實驗，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充電率進行充電實驗，每次充電記錄電池的端電壓和其相對應的SOC值[5]。

圖4 不同倍率充電下端電壓與SOC的關系

圖4為電池在充電過程中，實際測得蓄電池的端電壓與SOC的關系曲線。對這3條充電曲線進行擬合，得到了不同充電倍率下電池端電壓與SOC的經驗公式。再根據經驗公式中的系數，從而可知道不管充電電流怎么變化，其系數與充電電流的數學關系均可以找到。

不同充電倍率下SOCC與端電壓U的數學關系式：

使用蓄電池在不同倍率下充電時，其端電壓與SOC的對應關系可以對經驗公式的系數進行曲線擬合，考慮到數學關系式的復雜程度以及計算量的簡化，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的經驗公式：

根據已經得到的不同充電倍率（1/10、1/20、1/30）下的經驗公式，對其中的充電系數與充電電流的關系進行曲線擬合，可以得到：

2.2.2 鉛酸蓄電池放電實驗

同樣地，在實驗室溫度23oC 下進行放電實驗，對上述同一蓄電池分別采用 5小時放電率C5、20小時放電率C20、30小時放電率C30進行放電實驗，每次放電過程中記錄電池的端電壓與其相對應的SOC值。

圖5為實測電池在放電過程中，測得的端與SOC的關系曲線。同理，對這3條曲線進行擬合，得出不同放電電流下的電池端電壓與SOC間的經驗公式。再根據經驗公式中的系數，從而可知道不管放電電流怎么變化，系數與放電電流的數學關系都可以找到。

圖5 不同放電電流下的端電壓與SOC對應關系

不同放電電流下SOCD與端電壓U的數學關系式：

根據不同放電電流（C5、C20、C30）下的經驗公式，對經驗公式中的放電系數αDn(I)(n=0、1、2、3)與放電電流的關系進行曲線擬合，可以得到：

2.3 系統控制流程

如果檢測得到的所有電池的SOC值均處于10%～90%，則認為電池為正常狀態，否則進行電池系統故障維修；當電池SOC均處于正常狀態時，如果在電動狀態下滿足了1#SOC＞2#SOC，那么這時需要閉合K1，斷開K2，使SOC值高的電池組供電；如果在制動狀態下滿足了1#SOC＞2#SOC，那么這時需要閉合K2，斷開K1，使SOC值低的電池組充電。同理，當1#SOC＜2#SOC時，開關切換恰與上述過程相反。控制策略流程圖如圖6所示。

圖6 控制策略流程圖

3 實驗分析

利用蓄電池修復儀SF100-S對鉛酸蓄電池進行變電流放電實驗。電池放電前SOC=1，電壓為14.73V，隨機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，再利用修正經驗公式預測SOC值，并與理論SOC值進行誤差比較。其對應的值及其處理結果見表1所示。

表1 放電實驗對修正經驗公式的驗證

利用同樣的方法對上述蓄電池進行變電流充電實驗，電池充電前SOC=0.032，電壓為11.70V，隨機記錄充電過程中的數據以及處理結果見表2所示。

表2 充電實驗對修正經驗公式的驗證

通過實驗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，本課題提出的修正經驗公式解決了多變量情況下的SOC預測問題。

4 結論

本課題將雙電池組應用于純電動汽車的設計中，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的。在鉛酸蓄電池充放電實驗的基礎上提出了蓄電池SOC估算的修正經驗公式，并通過實驗驗證了修正經驗公式對蓄電池SOC值估算的結果符合國標的要求，從而將雙電池組應用到電動汽車中成為可能，并增加了電動汽車的續航里程。

[1] 劉卓然,陳健,林凱等.國內外電動汽車發展現狀與趨勢[J].電力建設,2015,36(07)∶25-32.

[2] 徐和誼.關于汽車智能化發展的思考[J].時代汽車,2015(10)∶31-33

[3] 劉永琦.新能源汽車產業發展的戰略探析[J].科技創新與應用. 2015(36)∶16-20.

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

[5] 李江江,陳富安.汽車用蓄電池充放電特性仿真與試驗研究[J].汽車實用技術,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，就職于鄭州科技學院，研究方向：電動汽車驅動控制技術，電池管理技術等。