基于某市典型公交循環工況的動力電池SOC變化規律研究

牛仁強　趙紅　劉鵬　趙英良??

摘要：電動客車動力電池的荷電狀態（SOC）的變換規律是電動汽車能量管理控制策略設計的基礎，而動力電池SOC的變化規律又與其行駛工況緊密相關。本文依據循環工況采集標準，在某城市市區內確定了15條典型的公交車行駛路線，并采用全球定位系統（GPS）進行實車跟蹤進行了數據采集，通過定步長工況分析法，構建了該市公交車的典型循環工況。然后在MATLAB中建立了電動客車鋰離子動力電池的Thevenin模型進行仿真實驗，得到了基于典型城市循環工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為后續控制策略的實現提供了基礎。

關鍵詞：城市循環工況；電動客車；鋰離子動力電池；SOC

本文利用車載全球定位系統（GPS）測試了該市公交車的行駛工況，通過對采集的到得數據進行統計學分析，計算得到了市區公交車行駛工況的特征參數，然后構建出公交車行駛工況，并在MATLAB中建立了電動客車鋰離子動力電池模型進行仿真實驗，得到了基于該市典型城市循環工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為動力電池的保護和控制系統設計提供了理論依據。

1 該市典型循環工況的建立

目前，世界各國普遍采用一定時間段內車輛的“速度時間”變化關系表征車輛的行駛工況，該方法要求“車速時間”關系的主要特征（怠速時間、最高車速、平均車速等）要盡可能反映實際道路的情況。其一般建立的方法流程是：首先對選定道路上的車輛數據進行實際測試，然后按一定準則進行數據提取并進行統計學的分析計算從而建立能反映實際道路情況的行駛工況。

本文采用全球定位系統（GPS）對選定路線的實際車輛進行了數據采集，獲得了實際道路的測試數據，選取定步長的數據解析方法，用統計學分析方法進行數據分析獲得了行駛工況的運行時間、運行距離、最大速度、平均速度、加速度等行駛特征值，從而得到了高速和低速等不同速度區間的行駛工況，最終建立了該市城市典型公交循環工況。該循環工況總計行駛時間為20min20s，行駛總里程為5.90公里，最高車速60.2km/h，怠速時間368秒，怠速時間比例為28.5%。

2 電動客車鋰離子動力電池模型的建立

本文電動公交車的車載鋰離子動力電池模型采用目前廣泛應用于電池管理系統（BMS）的一階RC等效電路模型，該模型也叫做戴維寧（Thevenin）模擬模型。該模型在傳統歐姆內阻模型的基礎上增加一階的容阻網絡，阻容網絡表示電池的模擬電池內部化學反應的極化特性，可以很好地表征電池的非線性特性。

本文選定的裝配鋰離子動力電池組和交流異步電動機純電動客車，其參數如表格所示。

3 MATLAB仿真計算

（1）整車行駛動力模型的建立。本文汽車行駛的動力學平衡方程和整車參數建立了純電動公交車的整車縱向行駛動力學模型。

（2）動力電池放電電流的計算。鋰離子動力電池作為純電動客車唯一的能量來源，必須滿足整車驅動功率和各附件的能量需求。根據試驗道路和試驗工況的要求，忽略坡道阻力，可知鋰離子動力電池在每一時刻所需要提供的功率，繼而可以計算出在該市典型公交循環工況下的動力電池的放電電流I，如公式（3）所示。

I=1Uηηe（mgfcosαva3600+CDAv3a76140+δmva3600dvdt）

其中，Pb為整車行駛需求功率，也就是動力電池的輸出功率；U為動力電池組兩端輸出電壓；I為動力電池組輸出電流；η為傳動系傳動效率；ηe為動力電池組效率；m為整車整備質量；g為重力加速度；CD為汽車空氣阻力系數。

根據上述該市典型公交循環工況條件和車輛參數，在matlab中仿真計算整車需求功率和動力電池的放電電流的大小，最終計算結果如下圖所示。

4 結果與討論

本文構建了該市公交車的行駛工況，得到了基于該市典型城市循環工況的電動客車鋰離子動力電池SOC變化曲線，為后續控制策略的實現提供了設計依據。

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