低溫BMS 系統(tǒng)剩余充電時間預估的研究

楊法松， 曾國建， 吉 祥， 占禮葵， 熊珊珊

（1.安徽銳能科技有限公司， 安徽合肥 230009；2.中科院合肥技術創(chuàng)新工程院， 安徽合肥 230009）

1 引言

當前交通工具、 民用電子、 航空航天大規(guī)模使用鋰電池， 均看中鋰電池具有高能量密度、 高輸出電壓、 循環(huán)壽命長等特性。 鋰電池可以進行多次充電， 在充電過飽和或者欠飽和都會對其壽命造成影響。 鋰電池壽命的縮短不僅會帶來經濟損失， 還可能導致重大事故的發(fā)生， 特別是在航天航空領域。 因此， 充電剩余時間的準確預測能防止鋰電池壽命縮短， 對保證電池系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定具有重要意義。

目前國內外針對充電剩余時間的研究有很多方向： 婁宇成等提出在非線性 （GNL） 的改進電池模型上， 結合多元參數(shù)辨識以及電池充放電等特性， 建立電池充電過程中電池參數(shù)與時間的關系模型， 但參數(shù)較多且不同階段對應不同的模型， 其實用性、 通用性不強。 文獻[4-6]提出了三段模型， 將充電分成3個階段： 涓流充電、 恒流充電和恒壓充電， 這種做法沒有考慮充電過程中損耗問題， 導致預測出現(xiàn)偏差。

從上述的研究方向， 都沒有考慮低溫充電時需要對電池進行加熱而導致的損耗和充電時間的延長， 這樣在低溫充電時預測的充電時間將嚴重偏離。 因此研究低溫電池充電剩余時間策略具有現(xiàn)實和工程指導意義。

2 BMS低溫剩余充電時間預估介紹

本策略結合充電功率Map、 充電 （加熱） 過程中溫升速率和末端恒壓充電實際充電時間數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)在剛充電時刻準確預估完整充電過程并計算充電剩余時間的目的。

為了在充電開始時刻準確預測整個充電過程中的電流變化曲線、 精準估算充電剩余時間， 簡化了充電功率Map的查表方式， 具體如下。

結合SOC與單體電壓的對應關系， 確定不同溫度下恒流充電與充電末端的界限值THR和對應的V、 SOC， 參考表1。

表1 名詞縮寫對照表

當SOC≤SOC且V≤V時， 使用溫度、 SOC查充電功率Map表， 即：

加熱的截止溫度為T， 當T＜T時， 加熱、 充電同時進行 （僅加熱可認為充電電流為0A的充電）。 插槍時刻，根據(jù)溫度T、 SOC查功率Map， 起始充電電流為I， T、SOC分別為功率表中下一階段充電電流所對應的溫度、SOC。

同理， T、 SOC分別為下一階段充電電流所對應的溫度、 SOC， 則T-T經歷的時間Δt， SOC-SOC經歷的時間Δt， 充電電流I的充電時長為：

假設從T-T電流變化的次數(shù)為n， 則低溫充電的總時間：

3 BMS低溫剩余充電時間預估驗證

根據(jù)低溫剩余充電時間預估邏輯， 選取幾個點的溫度和SOC充電目標編寫被測試表格 （表2）， 然后根據(jù)表2， 用真實的電池在環(huán)境箱使用充電柜進行充電， 驗證預估時間是否接近。

表2 被動均衡測試用例

選取電池后根據(jù)表1的初始SOC值， 使用充放電柜進行真實的充放電， 實現(xiàn)初始SOC值。 然后使用環(huán)境箱， 將電池的環(huán)境溫度進行控制， 達到表1要求， 接著按照目標SOC進行充電， 統(tǒng)計達到目標SOC的充電時間。

圖1為環(huán)境溫度-5℃時， SOC從30%充電到100%時預測剩余時間和實際充電時間的數(shù)據(jù)記錄， 圖2 為環(huán)境溫度-10℃時， SOC從3%充電到100%時預測剩余時間和實際充電時間的數(shù)據(jù)記錄。 從測試數(shù)據(jù)可以看出， 從充電開始預估的充電剩余時間和真實充電完成的時間非常吻合， 但是在充電過程中， 因溫升導致充電電流變化導致預估不準，在充電尾端會快速收斂準確地預測充電剩余時間。

圖1 溫度-5℃， SOC30%～100%數(shù)據(jù)記錄

圖2 溫度-10℃， SOC3%～100%數(shù)據(jù)記錄

4 結論

本文介紹了一種低溫電池充電剩余時間預估的方法，該方法具有以下特點： 考慮加熱膜加熱速率和充電溫升速率預測加熱時間； 考慮加熱充電進行充電積分， 預測加熱充電的充電剩余時間； 將溫度升高后充電電流變化進行分段積分， 預測溫度段的充電時間； 最后將不同分段的時間進行累加算出低溫充電的剩余充電時間。 后期通過真實的充電柜和環(huán)境箱進行測試驗證， 發(fā)現(xiàn)該方法比較準確地預估了剩余充電時間， 因此具有較好的理論價值和實際意義。