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图一
SOC可用范围精准的关联因素:首先是电池参数的完整性和准确性
因为锂离子电池是化学产品,其能量形式是化学能和电能的相互转化,充放电曲线是非线性的。其中,容量、能量、功率受环境温度、温升速率、电流倍率、SOC状态等因素影响很大。
如果完成精准电池性能测试,整个测试过程是非常耗时、耗力。很多厂家为了应对快速的市场需求或补贴政策,人为的加快推出产品,一边测试一边卖产品,这种做法给电池的工程化应用埋下隐患。
产品测试时间漫长原因体现在每个环节。仅标准循环或者工况循环一项,都在3~6个月,这还只是电池产品本身因素,如果结合设备状态,时间会更长。目前仅电芯的安全测试,就不少于12项之多,系统功能测试也在16项以上,还有常规功能、性能测试,如果再迭加不同温度下SOC,测试工作量是非常庞大的。可想而知,一款定型的活性材料配方,到合格产品的推出,产品成熟周期需要多么漫长的时间。
电池参数的完整性,有赖于对电芯个体的充分、多样品测试。通常情况下,基于需求提出的电池参数模型,是电池参数多维度下的状态关系,是全方位电池的评测,这也是产品应该具备的参数标签。
从附图测试来看,一般也是分几步进行的,首先测试其基本功能,对满足使用的数据优先测试,类似于脉谱图的网格的由大到小。例如,SOC 测试台阶,以5%或10%步进。如果面对测试精度要求更高的区间,还是远远不够的。对于重点区段需要重点测试,在电池充放电曲线两端、低温功率状态等等
上述阐述,更多的是针对电芯个体,如果站在系统角度,在热、一致性、功率、能量方面更加敏感,测试工作的难度也会相应增加。
另外,更重要的一点,就是测试设备的稳定性和精度。目前,很多厂家,在一些关键环节的测试,仍然选择了昂贵的进口设备。这是为什么呢,主要是为了对测试的精度、稳定性保障。可喜的是,近些年来,现状有所改变。国内测试设备厂家,潜心修练和成长,象星云科技等一大批优秀厂家推出的测试设备,不仅可以和国外同类产品媲美,还有更接地气的价格和周到的售后服务,取得了不错的口碑和认可度。
其次,是BMS 算法的正确和精度。我们提到最多的BMS算法精度,是针对电池系统的要求而提出的。对于优化SOC可用范围这个问题,单方面从BMS入手,是不完全正确的。如上面所述,电池参数的完整性也是重要的因素。巧妇难为无米之炊,BMS在缺失数据面前是胆怯的。
在提到SOC算法,出现最多的词是“估算”,电压“Approx”。这与SOC精度要求并不矛盾。因为电芯本身特性,“当前状态”确实是随着时间长度、温度、C值大小而变化的。例如,SOC 5%, Valus Status Approx. 3200-3400mV。动态的电压和OCV值、静态搁置时长,都有一定的差异。这也恰恰是算法策略的难点和魅力所在。
当然了,如果对于仪表的显示,考虑与用户友好性,通过建立与后台真实的SOC对应关系,可以认为是面对用户的SOC值。
SOC估算精度,在不同的工况条件下是不同的。通常情况下,我们对BMS会提出要求,SOC精度达到或小于5%,其实,对于BMS工程的理解是,这个精度代表着最大误差,而不是唯一的。
SOC 可用范围通过精准细致的策略控制、精确的数值,确定下限值
综合分析,SOC可用范围优化,就是确定电池不同条件、工况下的下限值。电池上限的缓存区间很小,可以挖掘的空间不大。上限的缓存主要是在充电安全方面,保证不过充为目的。快充时,充到SOC80%;慢充时,依靠涓流小电流充电,可以达到95%以上。电池下限值,主要是考虑放电工况,放电电流的变化能力,会影响动力输出或驾乘感受。同时,其缓存的宽度还是很大的。
举例说明一下下限值的确定和工况的关系:
VOLT有个最佳寿命安全窗口(58~65%),是其策略中较为重要的部分。该窗口根据不同的工况模式,SOC下限数值也是不同的。正常工况模式下,下限值设定为SOC=30%;山路工况模式,下限设定为SOC=45%。这个道理,是容易理解的,当山路模式下,放电或充电(能量回收)的C值变化是很大的,为了防止瞬间的过放(欠压),过充(过压),通过设定限值电压达到电池的安全状态。
EV和HEV SOC可用范围的差异性
因为电池系统在EV和HEV所承担的任务和角色的不同,决定了C值需求的不同。EV强调的是,大的续驶里程;HEV或PHEV强调的动力性功率混合能力,包括大电流的能量回收能力。使用功能的差异性,也决定了其限值的不同。
同时,HEV或PHEV C值较高,自然也会影响电池的使用寿命。所以,窗口或限值,也需要考虑寿命因素。如下表所示,电池放电深度对寿命的影响是非常大的。
小结:
通过上面分析,SOC可用范围大小,关键还是由电池参数的准确,以及BMS算法的精度决定的。这两个方面缺一不可。同时,在保证电池安全的前提下,面对各种工况,BMS策略和算法,不能一刀切,更需要精准多层次实现。在电池安全的前提下,把电池能力用足,优化最大化SOC 可用范围。
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