動力電池管理系統核心控制策略開發

白國軍

(廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)具有發動機和電機兩個主要動力源，其動力電池儲存的電能比非插電式混合動力汽車電池儲存的電能多。文中應用的動力電池為35 A·h磷酸鐵鋰電池,由于具有外接充電和幾十公里的純電動運行能力，因此比非插電式混合動力汽車具有更低的排放，更低的油耗。SOC(State of Charge)估算[1]和充、放電許用功率估算是電池管理系統兩大核心功能，尤其是磷酸鐵鋰離子動力電池的SOC估算，一直都是業界的難點，是磷酸鐵鋰電池推廣應用的瓶頸之一。本文作者進行的磷酸鐵鋰電池的SOC估算和充、放電許用功率估算及其精度要求，具有重要的作用：(1)PHEV車輛SOC使用范圍寬，一般應用區間為30%～90%，為防止電池單體過充電和過放電，必須提高SOC的精度，控制在±6%以內。(2)解決冬季低溫問題。當溫度低于-10 ℃時，為滿足整車的DC/DC、轉向助力、起動助力等必備功能的功率需求，對充電和放電許用功率的合理控制和SOC精確估算與否，將影響車輛的正常使用功能。(3)充、放電許用功率的實時準確估算，也是整車控制進行扭矩分配的重要輸入。因此，SOC和充、放電許用功率是插電式混合動力汽車電池管理系統的關鍵參數。

1 目前常用的SOC和充、放電許用功率估算方法

目前SOC的估算方法主要有卡爾曼濾波法、安時積分法、動態電壓修正法、BP神經網絡法等[2-3]。常用的許用功率估算主要是利用試驗方法測試許用功率曲線，電池管理系統利用查表法進行功率讀取，以及利用電池電模型、電池熱模型和電池內阻等信息進行充、放電許用功率估算等。

1.1 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波是20世紀60年代發展起來并廣泛應用的濾波算法，其方法是利用前一刻的狀態估算值和實時采集的電池信息，修正當前時刻的狀態值。在電池管理系統中，利用前一時刻的估算電壓值以及實時采集的電流和單體電壓值，來實時調整目標SOC值。此方法目前在國外實際應用較多，但國內還沒有穩定可靠的軟件可以用于實車測試。

1.2 AH積分法

AH積分法利用電流傳感器采集的電流值與時間的積分來計算SOC的變化量，再與初始的SOC值進行累加。但是當整車長時間運行時，由于電流采樣存在較大累積誤差，會導致SOC估算出現較大的誤差，而且此方法嚴重依賴電流采樣的精度，對電流傳感器要求較高。

1.3 動態開路電壓修正法

此方法應用也較為廣泛，例如北京航空航天大學的學者們在混合動力汽車的鎳氫動力電池SOC估算中采用此方法。但是此方法存在的較大問題是：對于鋰離子動力電池來說，動態的開路電壓值難以實時估算，尤其是磷酸鐵鋰的單體電壓平臺區，目前無法實時地估算得到動態開路電壓值。因此對于插電式混合動力汽車實際應用項目，目前沒有采用此方法。

1.4 充、放電許用功率估算方法

目前國內常用的充、放電許用功率是在SOC的全范圍區間內，利用試驗設備測試其放電和充電功率的大小，做成對應的曲線，電池管理系統利用查表的方法得到對應的功率值。國外有些廠家的許用功率估算是利用電池電模型、電池熱模型、電池內阻等信息進行充、放電許用功率估算。僅僅利用試驗測試出的功率曲線無法滿足整車的實際應用，因為試驗過程沒有全面考慮整車的實際使用工況和各種不同的環境條件，因此有必要對車輛具體功率需求、電池狀態、外部環境等條件進行綜合分析和考慮，得出完整的充放電功率估算策略。

2 磷酸鐵鋰電池SOC的估算策略

磷酸鐵鋰電池的SOC估算具有一定的難度，由于其開路電壓特性曲線平坦，其SOC估算精度一直是困擾PHEV應用的難點之一。由供應商開發的SOC估算誤差達到±20%左右。本文作者正是在這樣的背景下，開發磷酸鐵鋰電池的SOC估算方法。

經過長時間的實車試驗以及臺架試驗，PHEV車輛的SOC估算，采用了以下3個估算策略：(1)電池總成長時間靜置情況下通過靜態判定電壓與SOC關系，動態調整SOC值；(2)AH積分方法；(3)車載充電機充電時進行SOC修正。上述3個估算方法組成了一個系統的、完整的SOC估算和修正策略，文中的SOC估算整體流程如圖1[4]所示。

圖1 PHEV電池SOC估算整體流程

2.1 AH積分法

在車輛行駛過程中，此方案采用AH積分法，AH積分的原理見公式(1)

(1)

式(1)中：SOC為電池的剩余電量；SOC0為電池的初始電量；ic為充、放電電流，其中充電時ic為正，放電時ic為負。

采用AH積分方法對電流傳感器采樣精度有較高的要求，此方案選用的電流傳感器為分流器，其電流采樣精度可以達到±1%以內。利用某城市工況對電池總成進行臺架測試，經過8 h工況循環，AH積分導致的SOC累積誤差控制在±3%以內。

2.2 靜置時上電電壓修正法

如果僅利用AH積分法，SOC每天的誤差能夠達到±3%左右，整車經過長時間的運行，其累積誤差無法滿足整車控制和BMS控制的要求，為此引入了靜置情況下利用上電電壓修正SOC的方法。

此方法的核心是借鑒開路電壓修正，但由于實時的開路電壓值無法被實時估算到，結合車輛使用情況以及單體的電壓恢復速度，當電池總成靜置時間較長時，將靜置時間設定為1 h，利用上電時采集的單體電壓值對SOC進行上電修正。此方案設計的BMS具有下電后自動計時功能。文中的磷酸鐵鋰電池靜置后的單體電壓與SOC的對應關系如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池靜置后單體電壓與SOC對應關系

2.3 充電機充電SOC修正

PHEV轎車具有車載充電機，本文作者考慮充電SOC修正的主要原因有以下兩點：(1)當實際SOC大于80%時，其單體電壓值的變化率比穩定區間的變化率明顯增大；(2)此方案應用的PHEV車輛其充電電流為5 A，對于35 A·h的電池總成來講，屬于小電流充電。

結合磷酸鐵鋰電池單體的開路電壓曲線特點，此方案選用當電量不小于80%時，進行充電SOC電壓修正策略，設置SOC分別為80%、85%、90%、100% 4個目標值進行修正。

3 磷酸鐵鋰電池充、放電許用功率估算策略

3.1 總體充、放電許用功率方案設計

充、放電許用功率值是整車實時控制扭矩輸出的重要輸入參數，也是PHEV動力電池進行電量平衡控制的重要參數。此方案對許用功率的估算綜合考慮了整車與電池總成兩個層次的輸入：一方面，車輛上的DC/DC、轉向助力、換擋助力必須借助動力電池的功率輸出才能實現對應的功能，否則對車輛低壓供電、整車平順性都會產生影響，這就要求在設計電池許用功率時考慮車輛的需求；另一方面，電池總成自身有自己的狀態和實際能力，因此許用功率的估算要充分考慮電池總成自身的能力以及目前是否處于故障狀態。

3.2 放電許用功率估算

3.2.1 放電許用功率曲線測試

放電功率曲線需考慮不同的溫度值，利用充放電試驗設備測試其10 s持續的最大放電能力，BMS利用查表的方法讀取放電許用功率值。當溫度在 -31～50 ℃范圍內，總共有81個離散功率值。BMS根據采樣模塊的溫度信號，計算溫度的最大值tmax和溫度的最小值tmin，根據功率表，查詢tmax和tmin各自對應的放電許用功率值，BMS選取兩個功率值中的較小值作為放電許用功率上報給整車控制單元(HCU)。 放電許用功率和溫度的關系曲線如圖2所示。

圖2 放電許用功率與溫度關系

文中僅對SOC小于25%的情況下，為保證電量平衡對放電功率進行限制，限制的功率下限為10 kW。

3.2.2 電池狀態對放電許用功率的限制

當電池總成在整車的使用過程中，出現單體電壓低報警(單體電壓不大于2.8 V)、放電電流過大報警(電池總成電流不小于160 A)、絕緣電阻低故障(電池總成絕緣電阻值不大于500 Ω/V)、SOC低報警(SOC<10%)、溫度高報警(tmax>60 ℃)、采樣故障時，電池管理系統控制放電許用功率按照5 kW/s的速度下降。當對應的報警和故障消失后，電池管理系統控制放電許用功率以2 kW/s的速度回升，如圖3所示。

圖3 電池報警和故障對放電許用功率限制示意

3.3 整車對放電許用功率的需求

由于PHEV整車低壓供電由DC/DC提供，同時為滿足整車平順性、坡路起動等特殊要求，必須保證對整車提供一定的最低放電許用功率。因此，當電池管理系統采樣溫度低于-15 ℃時，結合整車標定和實驗結果，選用10 kW放電功率作為最低限值。充電許用功率溫度曲線如圖4所示。

圖4 充電許用功率與溫度關系

為保護電池單體，當SOC高于90%時，禁止充電；其他SOC段的充電許用功率與圖4相同，僅受溫度控制。

3.3.1 低溫下充電功率的處理方法

結合PHEV車輛在東北地區冬季試驗情況，為使PHEV車輛在低溫、低SOC下達到電量平衡，以滿足整車正常的功能需求，完善了BMS低溫下充電功率的控制。在滿足電池單體壽命的前提下，當電池總成采樣溫度∈(-15 ℃，-10 ℃]時，充電許用電流控制在3 A以內；當電池總成采樣溫度∈(-20 ℃，-15 ℃]時，充電許用電流控制在1 A以內。

3.3.2 電池狀態對充電許用功率的限制

當電池總成在車輛使用過程中，出現單體電壓過高報警(單體電壓不小于3.55 V)、充電電流過大報警(電池總成電流不小于105 A)、絕緣電阻低故障(絕緣電阻值不大于500 Ω/V)、SOC高報警(SOC>90%)、溫度高報警(tmax>60 ℃)、采樣故障時，電池管理系統控制充電許用功率按照5 kW/s的速度下降，直到降至0 kW。當對應的報警和故障消失后，電池管理系統控制充電許用功率以1 kW/s的速度回升，如圖5所示。

圖5 電池報警和故障對充電許用功率限制示意

4 實驗結果

4.1 SOC臺架測試結果

文中的SOC策略開發完成后，經過測試目前已經應用于某車型的動力電池管理系統中，并參與了東北的示范運行項目。對電池總成進行了總成SOC精度的臺架試驗，試驗SOC分別為15%、25%、35%、50%、70%，應用圖6和圖7兩個工況進行循環測試。

圖6 25%～70%SOC初始條件下的測試工況

圖7 15%SOC初始條件下的測試工況

利用充放電設備對電池總成進行SOC調整，分別調整到SOC為15%、25%、35%、50%、70%，然后對每個SOC點進行24個工況循環，循環完成后將電池總成靜置1 h以上，記錄BMS上報的SOC值。記錄完成后，將電池總成放電到截止電壓進行容量檢測，BMS靜置后的SOC值減去容量檢測的SOC值即為SOC估算誤差。表2為SOC估算誤差結論。

表2 SOC精度臺架測試結果 %

通過表2可以看出，應用文中的SOC估算策略，誤差可以控制到±9%以內，雖然離±6%的要求還有差距，但基本能夠滿足整車使用要求。

4.2 充、放電許用功率測試結果

在電池和整車無故障情況下，只需要電池管理系統查詢存儲的充、放電許用功率值上報給HCU，結合該車型示范運行的反饋，目前此功能工作正常，滿足整車要求。

圖8為發生電池放電電流過大情況時，在實車上利用CANOE采集的放電許用功率下降過程以及故障消失后功率回升的過程。從測試結果看，電池管理系統從控制上來講能夠滿足車輛最低功率10 kW的需求，且上升和下降速度均與設計一致。

圖8 實車測試電池故障情況下放電許用功率

5 結論

本文作者針對磷酸鐵鋰電池在PHEV轎車上的應用特點，開發出對應的SOC估算策略與充、放電許用功率控制策略。并且結合某公司相關項目，進行對應的總成臺架測試和實車測試，尤其是經歷了冬季低溫實車試驗，根據實車出現的問題對SOC策略和充、放電許用功率策略進行補充和完善。應用文中的SOC估算策略后，SOC在全范圍內誤差可以控制在±9%以內，基本能夠滿足PHEV整車控制要求，充、放電許用功率在電池出現故障和正常情況下，均滿足整車要求。從最近半年示范運行反饋結果看，目前所投放的電池總成故障率較低。

后續需要考慮充電許用功率在小于-20 ℃情況下的脈沖充電功能，考慮更大試驗量時完善靜置條件下上電修正的電壓曲線。本文作者開發的控制策略易于實現，具有很強的實用性，且經歷了示范運行的考驗，對于開發三元材料的鋰離子動力電池管理系統具有一定的借鑒意義。