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3.5 剩余能量(RE)或能量状态(SOE)估计
剩余能量(RE)或能量状态(SOE)是电动汽车剩余里程估计的基础,与百分数的SOE相比,RE 在实际的车辆续驶里程估计中的应用更为直观。在电动汽车使用过程中,电池的剩余能量(RE)是指以某一工况行驶时,从当前时刻直至电池放电截止过程中,电池累计提供的能量。RE 可以由电池端电压Ut与相应的累积放电容量Qcum组成的坐标系上的面积表示,如下图所示。
电池剩余能量示意图
当前时刻t 的电池端电压为Ut(t),放电截止时刻记为tlim,对应的端电压为电池允许的最低放电电压Ut(tlim)。当前时刻的荷电状态为SOC(t),已累积的放电容量为Qcum(t)。放电截止时刻tlim 对应的SOC 和累积容量分别记为SOClim和Qcum(tlim)。图中,端电压变化表示为绿色曲线,曲线下围成的(绿色斜线)面积对应电池当前时刻在此种工况下的剩余能量RE(t),其计算过程对应公式如下。
由于不同的充放电情况对应的端电压响应不同,使得电池在同一时刻t 提供的剩余能量RE(t)也不相同。此处用一组标准电流倍率下的放电情况作对照,标准情况的端电压Ut,st如图中蓝色曲线(Qcum-Ut,st)所示。由电池SOC 和标准放电容量的定义,此时放电截止位置的SOC 值SOClim,st为0,累积放电容量Qcum,st等于电池标准容量Qst。标准放电工况下对应的剩余能量REst(t)与之前的RE(t)有明显的差距。电池剩余放电能量的差异同样可以由当前的RE(t)与理论上最大的剩余放电能量(电池开路电压OCV 曲线围成的面积,图中黑色虚线所示)进行比较。
不同放电工况下电池的能量损失不同,因此只有预测某一特定功率需求下的电池电压响应过程,才能获得准确的RE预测值。由于锂离子电池的特点,其电压输出受到很多变量的影响,如当前SOC、温度、衰减程度SOH,因此在能量预测过程中除传统的SOC 估计模型外,还需要一个专门的电压预测模型。刘光明等提出一种适用于动态工况的电池剩余放电能量精确预测方法EPM(energy prediction method),如下图所示,该方法基于当前的电池状态和未来的电流输入,根据电池模型对未来放电过程的电压变化进行预测,并计算放电过程中的累积能量。预测过程中,根据当前的电压、电流测量值对模型参数进行修正,对端电压序列与RE 的预测结果进行更新。
电池剩余放电能量预测方法(EPM)结构
3.6 故障诊断及安全状态(SOS)估计
故障诊断是保证电池安全的必要技术之一。安全状态估计属于电池故障诊断的重要项目之一,BMS可以根据电池的安全状态给出电池的故障等级。目前导致电池严重事故的是电池的热失控,以热失控为核心的安全状态估计是最迫切的需求。导致热失控的主要诱因有过热、过充电、自引发内短路等。研究过热、内短路的热失控机理可以获得电池的热失控边界。Feng等研究了一款三元电池的热失控行为,获得了3个特征温度。Ouyang等研究了一款复合三元材料电池的过充电热失控行为,获得了4个过充电特征阶段。这些研究为电池的安全状态估计提供了基础。
故障诊断技术目前已发展成为一门新型交叉学科。故障诊断技术基于对象工作原理,综合计算机网络、数据库、控制理论、人工智能等技术,在许多领域中的应用已经较为成熟。锂离子电池的故障诊断技术尚属于发展阶段,研究主要依赖于参数估计、状态估计及基于经验等方法(与上述SOH研究类似)。Bohlen等通过电池内阻模型的在线辨识实现了电池在线诊断。Sun等铅酸电池的健康状态(SOH)上,假设正常状态的恒流充放电电压曲线是光滑的,通过观察其充放电曲线的变化辨识电池组可能存在的故障。电动汽车动力往往由成百上千个电池单体串并联构成,个体之间存在一定的差异,即不一致性。一般地,不一致性服从统计分布规律,这为电池组的故障诊断提供了一种理论依据。
Zheng等建立了一种考虑接触电阻的电池分频模型,以代表低频的电池平均模型研究电池组总体行为,以代表高频的差异模型研究电池组一致性问题,成功辨识了电池组内的接触电阻故障。Ouyang等同样采用分频模型,通过内短路电池造成一致性变差特性来诊断内短路的发生。
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