纯电动客车动力电池容量衰减估算研究

刘 静

(扬州亚星客车股份有限公司，江苏扬州 225000)

随着国家和地方政策扶持，纯电动客车已在我国各个城市普及。利用车辆监控数据对纯电动客车运行状态进行分析，是纯电动客车全生命周期内安全运行的有效保障。

本文基于对纯电动客车的运行数据，通过对动力电池特性分析，建立数据驱动理论下的电池容量衰减模型，由于当前国内没有相关标准对汽车用动力电池容量衰减的极值作出要求，所以行业内采用国际相关标准［1］，即当动力电池容量衰减到额定容量的80%时，将不能满足客车正常运行，需更换电池。

1 动力电池特性分析

纯电动客车安装的磷酸铁锂动力电池具有安全性高、故障率少、体积小、能量密度大等特点，但是由于锂电池本身的物理特性和化学因素，在车辆运行中，不可避免的会出现容量衰减问题。电池容量随着使用时间的增加而减小、充电效率降低。磷酸铁锂电池容量衰减主要包含两部分:一部分是电池在一定的充放电状况下;另一部分是电池在存储或搁置状态下［2］。电池容量衰减情况受时间、电池质量、冲放电倍率、环境温度、环境湿度等多方面影响，因此电池容量衰减虽有普遍性，但衰减情况各不相同［3］，因此电池衰减要从多维度进行综合分析计算。

在实际车辆运行中，定期进行电池容量检测可以判定电池容量衰退程度，建立电池容量衰减模型，根据纯电动客车实时监控数据，对当前电池容量衰减进行预估，是最为经济可靠的方式。电池的监控数据有电压、电流、温度等［4－5］。以某纯电动车型为例，该车型装载202 Ah动力电池组的充放电特性曲线如图1所示。

图1 放电特性曲线

由图1可见，电池组电压与充放电量并不完全是线性关系。电池容量值在70 Ah～150 Ah之间时，即电池SOC值在35%～75%之间时，电池电压V与容量C基本呈线性关系:V=K·C，式中K为比例系数。

在其他区域，电池电压与容量基本呈非线性关系。

因此利用ΔSOC和放(充)电量计算电池容量会有误差。为减少计算误差，本文利用SOC、电压和电流间随时间的变化规律，计算得出电池放电深度SOH，进而换算得到电池容量衰减数据。

电池放电深度SOH，可表征当前电池容量，计算公式为:

式中:C0为电池额定容量;Ct为电池当前的实际容量。

根据锂离子电池充放电的点化学反应，锂电池容量衰减的原因中影响因子最大的是锂离子电池阻抗的增加。经实验证实，阻抗和容量具有线性关系，那么 SOH 可用电池阻值来预估［6－13］:

式中:REOL为电池容量衰减到80%时的电池内阻;Rt为电池当前内阻;R0为电池的初始内阻。REOL和R0可通过实验测得数据，Rt无法通过测量获得，需进行实时计算。

2 实时内阻计算

将动力电池简化为关于内阻的电源模型，如图2所示。

图2 锂电池内阻模型

根据内阻模型建立状态方程:

在实际车辆运行中，电池的开路电压E很难直接测得，而由于锂电池的化学特性，E不是一个固定不变的值，E在电池充放电过程中不断变化。本文采用Unnewehr通用模型，得出E和SOC之间的变化关系。

式中:E0为车辆停车充电时电池充满电后的电压;Ft为待辨识参数，SOCt为电池当前SOC值。可得负载电压V公式:

根据电池实验经验，Ft为基于时间状态的函数，函数参数为SOCt和电流I。根据电池实际运营监控参数可得出SOCt和电流I的函数关系:

利用电池循环寿命实验数据，可得出辨识参数Ft的函数:

用结构图表述式(8)，如图3所示。

图3 算法结构图

3 实验仿真与结果分析

为验证本文设计电池容量衰减的算法的效果，选定额定电压为596.6 V，额定容量为202 Ah的纯电动客车动力电池为实验对象，采集车辆实际运行监控数据，数据采集频率为10 s/次，采样数据2 000组，时长20 000 s，如图4和图5所示。收集动力电池循环寿命实验数据，如图6所示，实验测得电池初始内阻14.05 mΩ，电池容量衰减至80%时内阻为69.17 mΩ。

电池内阻受电池工作温度的影响，由于电池工作时温度的变化，导致内阻值不是一个固定值。电池内阻随温度变化曲线如图7所示。

图4 电池放电电流曲线

图5 电池放电SOC变化曲线

图6 电池循环寿命实验曲线

图7 电池温度与内阻变化曲线

计算利用电池采样数据，得出电池内阻平均值为14.92 mΩ。

根据内阻计算平均值，由式(2)可得，此时电池放电深度SOH预估为98.45%，那么此时电池容量预估为198.86 Ah，当前电池容量衰减比例为1.55%。

该车辆使用BDU在线电池PACK测试仪，对车辆的电池容量进行测试，测得电池总能量118.9 kW·h。计算得到电池容量为199.30 Ah，测得电池容量衰减比例为1.34%。仿真结果与专业测试设备测试结果比较，衰减率相差0.21%，本文算法精度达99.78%。

4 结束语

由于动力电池实时容量计算复杂，且内阻不能实时监测，而电池监控数据中电压、电流、SOC数据易于测得，本文发现这些数据之间的计算关系，对电池容量衰减情况实时监测有重要意义。