烫光机龚敏明;王占国;马泽宇;郭宏榆;文锋
【摘 要】针对基于剩余容量的电池使用能力描述方法不能线性对应车辆行驶里程的问题,分析了电池充放电能量的计算方法和影响因素,通过建立单体电池能量状态(State Of Energy,SOE)的定义和估算方法,提出了电池组最大可用能量的概念和串联电池组SOE估算方法,为纯电动汽车行驶里程的准确估算和串联电池组均衡维护提供理论依据.%The methods which describe battery using ability based on remaining capacity can not linearly correspond to vehicle mileage. To solve this problem, the calculation method of battery charge/dis-charge energy is described, and the effects on battery energy are also analyzed in this paper. The definition and estimation of single cell state of energy (SOE) are addressed. The maximum available energy of the battery pack is introduced. The SOE estimation of battery pack in series method based on maximum available energy is proposed, which can provide the foundation for EV mileage estimation and battery pack balancing.
【期刊名称】《北京交通大学学报》
【年(卷),期】2013(037)002
【总页数】6页(P74-78,98)
【关键词】电池组能量状态(SOE);串联电池组;充/放电能量;实际可用能量;能量效率
【作 者】龚敏明;王占国;马泽宇;郭宏榆;文锋
【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.4
在电池应用过程中,电池的电量一直用电池容量和荷电状态(State Of Charge,SOC)来描述[1-5].随着动力电池在电动汽车中的大量应用,电池作为动力源用来存储和释放能量,但电池容量和SOC不能线性对应车辆的行驶里程.于是研究人员开始从能量的角度,提出了电池的 能量状态(State Of Energy,SOE)的概念,并应用于电池组一致性的分析[6-8].但由于研究尚不深入,只是作为一个概念提出,存在长期采用固定的模型参数、忽略电池老化因素和电池之间固有的差异性等问题,使SOE的定义和估算方法没有形成系统的理论,使实现SOE与运行工况之间的解耦及SOE存在差异的电池串联成组后SOE估算方法变得非常困难.
本文作者在锂离子电池电化学模型基础上分析了基于放电能量描述方法和基于放电容量描述方式的差异.在考虑电动汽车实际运行工况影响因素下,建立了基于电池组最大可用能量的定义和估算方法.通过相关的估算方法解决准确估算电动汽车的行驶里程问题,并改变现有的基于电压差异的电池组均衡维护体系,提高电池组使用效率.
1 电池充放电能量和能量效率
从容量的角度对电池的剩余电量进行定义的物理意义在于：电池的充放电过程即内部氧化还原反应得失电子的过程,得失电子的多少及库仑数对应的就是容量.但是在实际使用过程中,从容量的角度解释以下现象时存在问题：
1) 容量和SOC完全一致的多只电池串联成组后,电池组的实际可用容量并没有增加,但是车辆可运行的距离和使用时间延长.
如图是某水上打捞船2) 不同电池虽然容量一样,但是电池的续航时间和对外做功存在差异.
3) 同一只电池,在同一次放电过程中,当变化同样容量时(如10%SOC),电池释放的能量存在差异(与SOC所处区间相关),所以设备运行时间或者车辆运行的里程数不能与容量变化呈现线性对应关系.
出现以上问题的原因在于：基于容量的电池电量描述方法回避了电压的影响.实际使用时,电池的主要功能在于储能和释放能量,电动汽车的续驶里程及用电设备的续航时间都与电池释放的能量多少直接相关,所以在实际应用中从能量的角度对电池状态和剩余电量进行描述更具现实意义.
电池的充放电能量计算公式为
其中u O(t),i(t)为t时刻电池的外电压和电流.由于u O(t)由开路电压 u OCV(t)、欧姆压降 u R(t)和极化电压 u P(t)构成,且有
所以充电能量E O -ch可展开为
其中(t)对应的能量
被电池吸收或者释放出来,称为电池内部充放电能量;u R(t)对应的能量
切铝锯片
在充电过程中被损耗,称为充电欧姆损耗.u P(t)对应的能量
在充电过程中被损耗,称为充电极化损耗.
同理,可以得到电池放电过程中放电欧姆损耗E R-dch和放电极化损耗E P-dch,于是可以得到电池充放电能量效率
socl
可见,由于在充放电过程中,欧姆内阻和极化内阻都会造成一定的能量损耗,
在充放电过程中(t)对应的能量为电池的存储或释放能量.当充放电容量变化足够小时,可认为 u OCV(t)几乎不变,于是将[t1,t2]时间段的充放电容量Q分为n等份,并假设对应的时间片分别为 t1～ta1,ta1～ta2,…,ta(n-2)～ta(n-1),ta(n-1)～t2;u OCV(t)分别为 U OCV(1),…,U OCV(n),当 n足够大时,有
其中为[t1,t2]时间段内等容量分段后的开路电压的平均值.
可见,在充放电过程中,电池存储或释放的能量等于充放电容量与本段容量对应的开路电压平
均值的乘积,如图1所示.
图1 不同SOC下的放电能量差异Fig.1 Discharge energy with different SOC
内衣消毒柜由式(4)、式(5)、式(6)可知,对电池的能量利用有两个主要影响因素：一是电池荷电状态对电池OCV(开路电压)的影响;二是由于电池欧姆内阻和极化内阻的存在,在实际工作条件下,造成电池充放电能量的损失.
2 串联电池组的SOE定义方法
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在不考虑电池的使用工况条件,假设充放电电流足够小,不考虑电池内阻的影响,首先给出单体电池SOE定义,进一步提出串联电池组的SOE定义.
2.1 单体电池的SOE定义
为便于衡量电池的能量状态,引入SOE的概念.由于E R和E P与电池的工况密切相关,如采用外电压来判定是否充满电或放完电,并对剩余能量进行定义,那么电池的充放电能量就会随着工况的变化而变化.电动汽车用电池在以后的运行过程中的电流大小、工作模式等都很难确
定,这会给电池的SOE估算带来很大的难度.所以本文依据电池开路电压达到充放电终止电压作为充满电和放完电的判断依据.并将电池的最大可用能量(E max)定义为：电池从充满电状态以足够小的电流放电至放完电状态过程释放的能量.剩余能量(E rem)定义：为电池从当前状态以足够小的电流放电至放完电状态过程释放的能量;并将电池的SOE定义为：E max与 E rem的百分比.
当充放电电流足够小时,U R和U P可忽略,此时U O=U OCV,充放电能量效率达到最大值1.此时
其中Q max为电池的最大可用容量,整个容量区间对应的开路电压平均值为为电池的剩余容量,SOC0为电池的当前荷电状态,为荷电状态从SOC0到放完电过程的开路电压平均值,于是有
可见,对于同一只电池而言,OCV-SOC是固定的,所以 E max和E rem只与 Q max和SOC相关,且与运行工况之间是解耦的;所以电池的SOE也就实现了与运行工况之间的解耦.
初始能量状态为SOE0,荷电状态为SOC0的电池,当放出一定能量 ΔE后,能量状态变为SOE1,荷电状态为SOC1,则有
这样就使得电池的SOE具有了递推性.
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