纯电动汽车锂离子动力电池管理系统研究之电芯数据采集与处理-新浪汽车

纯电动汽车锂离子动力电池管理系统研究之电芯数据采集与处理

由于本文的选题来自于福州市科技局的基于动力学优化的电动汽车驱动系统项目。因此本文中所采集的电池数据来自于福建省一家汽车生产制造商所生产的纯电动汽车，该电动汽车上带有一套功能齐全的集中式的BMS，所使用的电池包由96个电芯串联而成，单体电芯额定容量为84Ah，为方便电池的管理以及结构设计，将每6个电芯组成一个电池模组，其电池包及BMS如下图所示。

图2-1 电动汽车所使用的电池及其BMS

Figure 2-1 Batteries and BMS used in electric vehicle

2.1 电池行驶过程中数据采集

为尽可能获取准确的电动汽车行驶过程中电池的电流、电压、SOC以及温度等一系列的数据，避免采集信号的偏差。因此需要在电动汽车行驶前进行处理，其处理步骤及其目的如下。

电动汽车放电的步骤：

1) 将电动汽车不断行驶，将汽车上显示的SOC耗散至0%，使电动汽车不能再继续行驶，对电动汽车下电(断开电池与负载的接触器)。

2) 静置两个小时，对电动汽车上电，若能继续行驶，则继续行驶。将电池SOC耗散至0%，下电。

3) 重复步骤(2)，直至最后一次静置后，电动汽车上电后，BMS发送警报警示SOC低，不能再进行行驶为止。

由于电池管理系统内有保护SOC最低的电芯的保护策略，做这项处理的目的在于，保证电动汽车内有一个电芯的最低SOC完全达到0。之所以进行多次静置的目的是为了消除安时积分的带来电芯SOC不准的影响，两个小时的静置，使电池经过开路电压的修正，得到精确的SOC值，反复对电动汽车内的电池放电，保证电池包内的电芯至少有一个放电完全，该电芯的SOC降为0%。此时测量电池包所有电芯的OCV，测得电池包内SOC最低电芯的SOC为0%，并标记此电芯编号并命名为SOCmin，记录该电芯所在的电池模组，该模组内SOC最高电芯的SOC为2.21%。接下来对电动汽车进行充电，累计充入电池的容量，并以此计算得到当前状态下的电池容量。

电池充电方式步骤：

采用两段式慢充充电方式即恒流-恒压充电方式（constant current -constant voltage,CCCV）对电池进行充电，初段充电电流保持在8A左右，在充电后期，维持充电电压恒定，充电电流逐渐减小。由于所采用的电池管理系统中充电管理系统有被动均衡策略，即给SOC较高的电芯进行放电，使SOC较低的电芯尽可能充入更多的电能。因此在充电过程中，使用上位机实时监测电池电压，当电池包内有一个电芯的电压达到指定电压(静置时电池SOC为100%时的电压)，断开电动汽车与充电桩的物理连接，结束充电，上位机如图2-2所示。

图2-2 上位机截图

Figure 2-2 Screenshot of upper minitor

提前结束充电是为防止BMS开启被动均衡，防止被动均衡功能的目的在于，使电芯不存在被动均衡，被动均衡中所产生的电流不稳定，产生安时积分产生误差，降低SOCmin电芯的容量估算误差。充电过程中同时使用带电流积分的示波器计算充入电池的电量。充电方式如图2-3所示，充电电流如图2-4所示。

图2-3 电动汽车慢充充电

Figure 2-3 Slow charging of electric vehicle

图2-4 慢充模式下的充电电流

Figure 2-4 Charging current in slow charging mode

如图2-4所示，电流值为负值时表示电池充电，正值表示电池放电。

充电完毕后，经过两个小时的静置，经过电芯的OCV来修正电池SOC，得到模组内电芯最高的SOC为93.87%，电芯SOCmin此时的SOC为92.24%。通过电动汽车BMS测得充入电芯的电量，根据以下公式计算得SOCmin电芯容量。

(2-1)

由式(2-1)估算得到SOC最低的电芯的实际容量约为82.49Ah。之所以比厂家所标注出厂额定容量84Ah低，差值较大的原因在于电池本身在一致性上有差别，实际容量比额定容量低，另一方面，电池在使用过程中，会产生容量衰减，因此实际容量小于额定容量。

电动汽车行驶数据采集：

在充电完成后，为尽可能获得电动汽车运行过程中的真实工况。将电动汽车行驶在宁德市区内，由远程监控平台记录其行驶路径，其行驶路径如下图所示。

图2-5 电动汽车的行驶路线

Figure 2-5 Driving route of electric vehicle

BMS为方便开发人员记录以及解决问题，由USB-CAN与电动汽车车载故障诊断系统(on-board diagnosis，OBD)连接电动汽车，可记录行驶过程产生电流、电压、温度以及SOC等一系列数据，采样周期为0.5s。行驶结束后，将汽车静置两个小时，获取行驶后各所标记的电芯的最后SOC值，操作方法如下图所示。

图2-6 读取BMS上的数据

Figure 2-6 Read data on BMS

2.2

OCV-SOC函数关系确定

为准确获取电芯开路电压OCV与SOC之间的对应关系，在常温箱(25℃)里进行放电测试，电芯SOC的定义如下：

(2-2)

因实验条件不足，委托电芯厂家测定了OCV-SOC之间的对应关系，如下表所示。由电芯的固有特性可知，电池的开路电压与其SOC之间的固定关系与电池容量

以及电池寿命状态无关，只与电池的所使用的材料与类型相关[29-30]。

表2-1 各SOC值对应的OCV

Table2-1 OCV v.s SOC

SOC(%)
1.3
6.0
10.7
15.4
20.1
24.8
29.5
OCV（V）
3.090
3.208
3.431
3.469
3.509
3.546
3.574
3.601
SOC(%)
34.2
38.9
43.6
48.3
53.0
57.7
62.4
67.1
OCV（V）
3.616
3.629
3.643
3.658
3.679
3.721
3.760
3.798
SOC(%)
71.8
76.5
81.2
85.9
90.6
95.3
100
OCV（V）
3.843
3.893
3.944
3.998
4.055
4.115
4.181

在matlab应用程序中，调用cftool命令，以SOC为横坐标，电芯OCV为纵坐标，拟合SOC-OCV函数。以高斯逼近拟合SOC-OCV函数，经过若干次调试后，最终得到当选用高斯5次函数拟合曲线时，拟合效果最佳，因此得到SOC-OCV之间的函数关系如下式所示。

(2-3)

其中：f(x)—电芯OCV; x—电芯SOC; a1=4.677;b1=157.6;c1=164.9;

a2=0.3655;b2=57.28;c2=31.83;a3=1.014;b3=16.51;c3=28.24;

a4=0.21;b4=10.24;c4=10.45;a5=0.422;b5=2.084;c5=7.401

拟合得到的曲线如下图所示。表2-1中的数据点为插值原点，由图2-7可知拟合效果良好，拟合的和方差(SSE)=6.79x10-5，拟合系数(无量纲)R2=1(线性插值也为1)，校正后的拟合系数(无量纲)达到0.999，标准差(RMSE)=0.0029。根据OCV-SOC的函数关系，结合充分静置后的电芯OCV可知所标记的SOCmin电芯的SOC=92.24%。