汽車蓄電池管理方法的研究*

孔偉偉,楊殿閣,李 兵,連小珉

(清華大學汽車工程系，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

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2015103

汽車蓄電池管理方法的研究*

孔偉偉,楊殿閣,李 兵,連小珉

(清華大學汽車工程系，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

針對汽車蓄電池的使用工況特點，基于安時積分法、開路電壓法等經典蓄電池狀態計算方法，提出了一種全新的綜合性電池電量計算方法，對蓄電池全工況使用過程進行實時監控。并根據汽車用電器特點，合理規劃汽車用電，防止電池過度放電，實現車載蓄電池的虧電保護，保證汽車常溫起動能力。最后，通過實車試驗驗證了該方法的可行性和有效性。

汽車蓄電池；狀態監控；荷電狀態；虧電保護；起動能力

前言

近年來，國內外學者針對蓄電池的SOC估算方法展開了一系列的研究。文獻[1]中介紹了常用的蓄電池電量估算方法，如放電實驗法、安時計量法和開路電壓法等。放電實驗法采用恒定電流對電池放電，電流與時間的乘積即為剩余電量[2]。該方法一般被作為基準測量方法。安時計量法是估算電池SOC的最常用方法[3]，開路電壓法[4]是利用鉛酸蓄電池開路電壓與SOC的線性關系獲取荷電狀態。以上幾種方法均有誤差，適用于不同的工況。在此基礎上，國內外學者對車用蓄電池狀態估算方法進行了改進。文獻[5]中使用一種類似于安時計量法的線性模型法估計電池SOC，其原理是基于SOC的變化量、電流、電壓和上一個時間點SOC值建立，通過實驗數據得到最小二乘擬合的線性模型系數。文獻[6]中提出了使用卡爾曼濾波的蓄電池模型，可得到對SOC的最小方差意義上的最優估計。文獻[7]中提出了基于遺傳神經網絡的自適應電池荷電狀態估測方法。

蓄電池荷電狀態估算方法很多，但大都針對電動汽車，傳統燃油汽車的蓄電池使用工況與其大不相同。另外，受到實際汽車使用的控制器性能、汽車起動型蓄電池工作工況和制造成本等因素的限制，上述方法對實時獲取車載蓄電池荷電狀態存在一定不足。

本文中針對傳統燃油轎車蓄電池的使用工況特點，結合開路電壓法、安時積分法等經典蓄電池SOC計算方法，提出了一種適合多種工況的電池電量計算方法，對蓄電池進行全工況實時的荷電狀態監測。并在此基礎上，結合汽車用電器特點，合理規劃設計汽車用電，防止電池過度放電，實現車載蓄電池的虧電保護，保證汽車的起動能力。

1 蓄電池狀態估算

1.1 蓄電池荷電狀態定義

蓄電池的SOC是用來反映電池的剩余容量狀況，其數值定義為電池剩余容量占電池容量的比[8]，即

SOC=QC/QI

(1)

式中：QC為電池剩余電量；QI為電池以電流I放電時具有的額定容量。

1.2 蓄電池狀態估算方法

圖1為蓄電池荷電狀態估算方法的流程圖。

如圖1所示，汽車蓄電池的初始荷電狀態未知，故首先利用開路電壓法或電池充滿條件確定電池的初始SOC。這兩種方法獲得SOC精確度較高，因此安時積分法以此精確的SOC為基準，利用相對計算的思想獲取電池SOC。另外，根據此精確SOC更新總電量，清除電流累計誤差。

以下對電池充滿條件、開路電壓法、安時法、參數更新和電池老化狀態計算分別進行介紹。

(1) 電池充滿特性

根據鉛酸蓄電池充電特性，隨著電池電量增加，充電電流逐漸減小。發電機負荷較小時，提供的最大電流大于當前用電器所需電流，蓄電池的充電電壓為發電機調節器設定的輸出電壓。

因此蓄電池充滿的判斷條件為

(2)

式中：I為蓄電池工作電流，負值為充電電流；U為蓄電池電壓；Ufull為電池充滿時的浮充電壓；δ為電壓采集的誤差區間。蓄電池使用工況較復雜，多種因素會導致蓄電池充電電流和電壓波動，因此，為防止誤判斷，只有電流電壓滿足式(2)，并持續一段時間t，方可判斷蓄電池充滿。

蓄電池充滿條件滿足時，可精確得到SOC=100%。

(2) 開路電壓法

鉛酸蓄電池的開路電壓與SOC有較好的線性關系，能較為精確地估算出電池荷電狀態。汽車鎖車靜置時處于最低功耗狀態，可近似認為電池輸出開路。由于化學平衡過程需要一定的時間，蓄電池需要靜置至少2h才能得到較為穩定的平衡開路電壓[9]，因此，車輛鎖車靜置至少2h后，才可利用開路電壓對蓄電池的荷電狀態進行估算。

蓄電池的荷電狀態受溫度的影響，開路電壓法計算SOC可表示為

SOC=A1(UOCV-kT(T-T0))+A2

(3)

式中：UOCV為蓄電池的開路電壓；T為蓄電池溫度；T0為標準溫度，T0=20℃；kT為溫度系數，取0.010 5[10]；A1、A2表示溫度T0時，開路電壓與SOC的線性擬合參數，通過電池放電實驗標定為A1=0.877 7，A2=-10.380 8。

(3) 安時法

安時積分法適用于蓄電池全生命周期所有使用工況。本文中采用相對計算的思想，以電池充滿條件和開路電壓法獲得的較精確SOC為基準，結合Peukert-安時積分法計算SOC，即

(4)

(5)

蓄電池的放電能力與放電電流的大小有關，放電電流大時，可放出的總電量遠小于小電流放電時的總放電量。這種關系可以由Peukert特征系數表示[11]，經過Peukert特征系數修正后的放電時的電量可表示為

(6)

式中：i為蓄電池放電電流；In為10h放電率對應的額定電流；n為Peukert系數，通常為1.05～1.3[11]，通過電池放電實驗標定為1.14；Δt為計算時間間隔。

蓄電池充電時的能量損耗利用充電效率η修正，充電時的電量為

(7)

(4) 參數更新

隨著使用蓄電池，實際可用的總電量Qm在不斷減少。實際可用總電量的更新僅在電池充滿和開路電壓法下進行，即

(8)

|SOC-SOClatest|>ΔSOC

(9)

本文計算時，選定ΔSOC=10%。

(5) 電池老化狀態計算

蓄電池老化狀態SOH(state of health)定義為

SOH=Qm/Qa

(10)

式中：Qa為蓄電池的額定總電量。

2 整車電器用電規劃和虧電保護

2.1 汽車用電器分類

根據用電器對汽車行駛安全的影響性和重要性，整車電器可劃分為以下4類。

(1) 娛樂性用電器 對汽車行駛安全并無影響，主要服務于駕駛員或乘車人員的休閑娛樂需求，如車內冰箱、座椅按摩和座椅加熱等。

(2) 舒適性用電器 滿足車內人員基本舒適性需求，對汽車行駛并無太大影響，如空調、音響、點煙器、天窗和備用電源等。

(3) 輔助行駛用電器 輔助駕駛員駕駛的用電設施，在一定程度上影響安全性和可靠性，如車窗電機、車前大燈和車內照明系統等。

(4) 安全行駛電器 保證汽車行駛的基礎設施，與汽車行駛安全息息相關，如發動機控制單元、ABS系統和安全氣囊等。

2.2 蓄電池的狀態分區

汽車用鉛酸蓄電池的狀態平面如圖2所示[10]。

該狀態平面圖由蓄電池健康狀態SOH和SOC組成。區域1中SOH<60%，蓄電池已老化，需更換。在此課題研究中，僅考慮蓄電池正常工作區域，即區域2～6。其中，區域2不需要采取虧電保護措施，區域6為蓄電池的最低起動電量保留區域，區域3～5為電量過渡區域。

根據圖2，對蓄電池進行狀態分區，如圖3所示。根據電池SOC將蓄電池狀態分為安全區、保護區、警戒區、虧電區，以及最低起動電量保留區。安全區(SOCs

2.3 蓄電池虧電保護機制

為防止蓄電池過度放電，保證汽車起動能力，整車用電規劃采用電池虧電保護機制。

如圖4所示，一般情況下蓄電池處于安全區，此時汽車正常運行，未開啟虧電保護機制。蓄電池的SOC低于安全區下限閾值SOCs時，根據汽車運行狀態分別實行行駛虧電保護，怠速虧電保護和靜置虧電保護。汽車行駛和怠速時，當電池SOC>SOCs，虧電保護機制解除。汽車靜置時，打開發動機，即解除虧電保護機制。

圖5為汽車行駛中虧電保護機制。當蓄電池處于保護區時，實行用電保護等級1，即指關閉汽車娛樂性用電器。通常情況下，此時蓄電池應停止放電，并由發電機向電池充電；若發電機出現故障導致電池電量繼續減少低于保護區下限閾值SOCp時，則實行用電保護等級2，即關閉娛樂性電器和舒適性用電器，同時發出報警提示駕駛員查看發電機故障。

圖6為汽車怠速時虧電保護機制。汽車怠速時，電池放電至保護區，多數由于怠速時發動機轉速較低，用電負載過大超出發電機負荷。因此，首先提升發動機轉速，若電池繼續放電或某些汽車無法實現該功能時，實行用電保護等級1；若發電機出現故障或者電池電量減少低于保護區下限閾值SOCp時，則實行用電保護等級2。

汽車處于鎖車靜置狀態時的虧電保護機制如圖7所示。當蓄電池的SOC低于安全區下限閾值SOCs時，實行用電保護等級3，即關閉所有娛樂性和舒適性用電器(僅指在鎖車時可以使用的電器)；若蓄電池繼續放電至SOC

3 試驗驗證

按照上述方法在試驗車上進行實現和驗證。該試驗車為一種以車載總線為基礎的全分布式智能電器系統[12]，即全車所有電器均實現網絡化和智能化，每個電器以獨立節點的形式連入通信網絡中，根據控制指令進行工作控制。

在蓄電池負極上加裝傳感器獲取電池的工作電壓、電流和溫度，通過LIN總線發送至電池管理控制器，該控制器為全分布式智能電器網絡中的網絡節點，可通過CAN網絡獲取汽車狀態信息，如發動機轉速和車速等。電池管理控制器按照上述方法進行蓄電池狀態估算，向網絡中發送蓄電池狀態信息，以及虧電保護控制信息，以實現整車電器用電規劃和虧電保護。

3.1 蓄電池的狀態估算驗證

將蓄電池從充滿狀態放電至SOC達到設定的SOC值后關閉系統，將此蓄電池靜置2h以上，隨后根據恒流放電試驗獲得蓄電池的真實SOC。該設定的SOC即是利用本文中估算方法計算得到的SOC，與真實的SOC值比較判斷SOC估算方法的合理性。

將蓄電池從充滿狀態放電至幾個特定的SOC，試驗過程中蓄電池SOC、蓄電池輸出電流(放電電流為正)以及發動機轉速曲線如圖8～圖11所示。

因此，利用估算方法計算獲得的SOC與放電試驗獲得的真實SOC如表1所示。

表1 估算SOC與真實SOC比較 %

如表1所示，蓄電池的SOC估算值與真實值之間的偏差在±5%以內，可用于整車用電規劃和虧電保護。試驗結果驗證了采用的蓄電池估算方法合理、有效。

3.2 蓄電池虧電保護試驗驗證

將蓄電池充滿后，在發動機關閉情況下打開所有可用電器，試驗過程中虧電保護等級變化、電池SOC和放電電流曲線如圖12所示。

如圖12所示，根據電池的不同荷電狀態，對用電器實行不同的用電保護等級，直至最后進入最低起動電量保護等級，整車進入最低功耗狀態。在試驗車自動進入低功耗狀態后的第7天，可順利起動，喚醒所有電器。試驗結果驗證了電池虧電保護機制的可行性和有效性，保證了汽車的起動能力。

4 結論

針對傳統燃油轎車蓄電池的使用工況特點，提出了一種適合多種工況的電池電量計算方法，有效地對蓄電池進行全工況實時的荷電狀態監測。此外，對整車電器進行分類，制定了不同工況下虧電保

護機制，有效防止電池過度放電，實現蓄電池的虧電保護，以保證汽車的起動能力。

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A Research on the Management Method of Automotive Battery

Kong Weiwei,Yang Diange, Li Bing & Lian Xiaomin

DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

In view of the working features of battery, a novel comprehensive calculation method for the state of charge (SOC) of battery is proposed based on some typical SOC algorithms such as ampere-hour integration and open circuit voltage method, so as to monitor the whole process of battery operation at real time. Furthermore, the electricity use in vehicle is properly planned according to the features of vehicle appliances to prevent battery from over-discharging, achieve insufficient voltage protection of vehicle battery and ensure the starting capability of vehicle at normal temperature. Finally, the results of real vehicle tests verify the feasibility and effectiveness of the method proposed.

automotive battery; state monitoring; state of charge; insufficient voltage protection; starting capability

*國家863計劃項目(2012AA111901)資助。

原稿收到日期為2013年4月15日，修改稿收到日期為2013年12月2日。