新能源混合動力汽車動力電池容量計算及SOC 控制

楊維剛， 楊志超， 張學鋒

(大運汽車股份有限公司技術中心， 山西 運城 044000)

新能源混合動力電動汽車 （插電或非插電） 具有高效節油、 續駛里程長等優勢， 適合在自卸車等車型上應用。動力電池作為混動車的儲能元件， 對混動車的整車動力性能、 節油率及成本影響很大， 其中動力電池的容量大小是動力電池關鍵的性能參數。

動力電池容量計算、 選型與電池SOC控制有著密切的關系， SOC的控制要基于動力電池的容量進行， 動力電池的容量是否滿足整車動力性能的要求， 必須依靠SOC的控制策略來實現。 本文以一款并聯混合動力自卸車實車開發為例， 介紹動力電池的容量計算及SOC控制方法， 實車試驗數據驗證了理論計算的結果。

1 并聯混合動力汽車能量控制策略

基于規則的邏輯門限能量管理策略是一種成熟的控制策略， 并聯混合動力電動汽車普遍采用基于規則的邏輯門限能量管理策略設計， 該策略控制方法分為電力輔助型控制策略和SOC、 轉矩平衡式控制策略。 電力輔助型控制策略主要思路是： 主驅電機根據車輛運行工況對發動機輸出功率進行削峰填谷， 使發動機工作在優化的工作區， 同時將動力電池的SOC保持在一定范圍內。 SOC、 轉矩平衡式控制策略的依據是發動機效率MAP圖， 控制的目的是發動機工作在高效區， 取消發動機的怠速運行工況， 在低速低負荷時由電機驅動車輛運行， 同時監控動力電池的SOC值，對動力電池進行充電。

根據上述控制策略， 為了提高并聯混合動力汽車的節油率， 降低整車燃油消耗和減少排放， 通過以下具體措施實現： ①回收利用車輛制動時的回饋制動能量， 儲存在動力電池里； ②控制發動機在高效區工作， 工作狀態不在高效區的， 由驅動電機補償或吸收功率， 動力電池提供電能或儲存電能； ③取消發動機怠速運行工況或低速低負荷低效率工況， 由電機驅動， 動力電池提供電能。 動力電池的容量計算選型及SOC控制主要圍繞上述措施進行。

2 動力電池容量計算

根據上文所確定的動力電池功能及能量控制方案， 動力電池的容量要滿足以下需求： ①取消發動機怠速工況，或車輛低速、 低負荷、 低效率工況時， 車輛純電動模式運行需要的電能； ②為使發動機在高效區運行， 驅動電機補償或吸收發動機功率需要的供電或儲能需求； ③車輛制動工況時， 滿足儲存回饋制動能量的需求。 其中制動工況只考慮車輛在平路制動的能量回收， 對于長大下坡時的制動能量回收， 需要特殊考慮， 開發專用車型。

并聯混合動力汽車只有在市區或市郊工況運行才能發揮出節能減排的優勢， 車輛運行工況對動力電池容量計算影響很大， 本文以 《GB/T18386 電動汽車 動力消耗率和續駛里程試驗方法》 附錄B所提出的NEDC工況為基礎進行仿真計算， 其他不同工況可參照本文進行。

2.1 車輛起動純電動運行時動力電池消耗的能量

1） 車速計算公式

式中： n——發動機或電機轉速， r/min； v——車速，km/h； i——主減速器傳動比； i——變速器傳動比； r——輪胎滾動半徑， m。

2） 阻力計算公式

式中： F——車輛總阻力， kN； η——傳動系統效率；k——電機&控制器效率； m——整車滿載質量， kg； g——重力加速度， 取9.8m/s； f——滾動阻力系數； C——空氣阻力系數； A——迎風面積， m。

3） 車輛起動加速時消耗的能量

式中： E——動力電池消耗的總能量， kWh； E——車輛加速產生動能所消耗的能量， kWh； E——阻力所消耗的能量， kWh。

式中： m——整車滿載質量， kg； v——起始車速，km/h； v——終止車速， km/h； s——行駛距離， m； a——加速度， m/s； F——輪邊驅動力， N。

2.2 車輛回饋制動，回饋給動力電池的能量

式中： E——動力電池回饋的總能量， kWh； E——車輛動能所產生的能量， kWh； v——車輛停止回饋制動的最低車速， km/h。

2.3 動力電池容量計算

1） 車輛一個啟動制動循環需要消耗動力電池的能量

式中： E——附件消耗的能量， kWh； P——附件功率， kW。

2） 動力電池容量計算

國標 《GB/T18386 電動汽車 動力消耗率和續駛里程試驗方法》 附錄B中， 每個NEDC循環由4個市區循環和1個市郊循環組成， 4個市區循環工況的周期很短， 啟動和制動只能消耗動力電池能量， 發動機無法給動力電池充電； 市郊工況下， 發動機持續工作時間長， 給動力電池補充電量。

本文計算動力電池容量的前提， 是在一個NEDC周期內， 動力電池電量保持平衡， 且動力電池SOC在40%~65%區間波動。 按照每個NEDC循環有13次啟動和制動， 計算的蓄電池容量如下：

式中： μ——電池充放電效率。

2.4 并聯混合動力自卸車動力電池容量計算實例

2.4.1 并聯混合動力自卸車技術參數

為進行新能源混合動力汽車研究， 我們開發了一款6×4新能源混合動力自卸車， 整車及零部件具體參數如下： 整車最大總質量25000kg； 發動機標定功率275kW， 轉速1900r/min； 發動機最大扭矩1800Nm， 轉速1000~1400r/min；發動機怠速轉速600 r/min； 后橋減速比5.262； 變速器12擋， 速比12.10， 9.41， 7.31， 5.71， 4.46， 3.48， 2.71， 2.11，1.64； 輪胎半徑0.545m； 驅動電機額定功率105kW， 峰值功率200kW； 驅動電機額定轉速1078r/min， 峰值轉速3000r/min；驅動電機額定轉矩930Nm， 峰值轉矩2100Nm； η傳動系統效率0.88； f 滾動阻力系數0.01； A迎風面積7m； CD風阻系數0.7； 附件功率5kW。

2.4.2 動力電池SOC控制策略

動力電池SOC按照40%-65%控制， 當SOC接近40%時，整車控制器HCU減少電機電驅動功率， 增大電機發電充電功率。 當SOC接近65%時， HCU增大電機電驅動功率， 減小電機發電充電功率。

當SOC低于20%時， HCU輸出給MCU的驅動扭矩小于0，防止消耗動力電池電能。 當SOC低于15%時， HCU發出SOC低報警， 停止DCDC、 空調、 電動油泵等用電設備工作， 防止SOC過低。

SOC低于5%時， HCU允許輸出負扭矩， 使驅動電機發電運行給動力電池充電。

正常情況下， 車輛起步擋位為4擋。

2.4.3 并聯混合動力自卸車動力電池容量計算

按照上述公式及并聯混合動力自卸車技術參數， 計算不同車速、 油門開度的情況下， 動力電池的計算容量。 表1~表3分別為油門踏板50%、 70%、 100%開度時計算的數據。

表1 油門踏板50%開度時計算的數據

表3 油門踏板100%開度時計算的數據

從表1、 表2、 表3可以看出， 動力電池容量的選型與純電運行的車速、 油門踏板開度相關， 混合動力車純電動運行車速高， 需要的動力電池容量大； 油門踏板開度大， 需要的動力電池容量小。

表2 油門踏板70%開度時計算的數據

根據上述計算結果， 我們選用了一款標稱容量為26.5kWh， 標稱電壓為529V的錳酸鋰電池。

3 項目驗證

新能源并聯混合動力自卸車試制、 調試完成后， 先后進行了轉轂臺架試驗、 路試試驗。 轉轂試驗按照NEDC工況法進行， 試驗數據曲線見圖1， 從圖中可以看出， 在NEDC循環過程中， SOC波動范圍沒有超出設定的40%~65%范圍，符合設計要求。

圖1 試驗數據曲線

4 結語

新能源混合動力汽車的結構和設計計算復雜， 涉及到發動機、 驅動電機、 控制系統、 動力電池、 變速器、 離合器等多個系統和設備。 同時各系統的計算選型與整車的架構和控制策略密切相關。 本文主要探討動力電池的設計計算選型， 實車驗證了動力電池設計計算結果。