电动汽车动力电池特性仿真系统

第 43 卷 第 8 期 2009 年 8 月 上海 交通 大学 学 报 JOU RNAL OF SH ANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY Vol. 43 No. 8 Aug.2009 收稿日期 : 2008208 225 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划( 973) 项目 (2007CB 209707) 作者简介 : 羌嘉曦 ( 19812) , 男,江苏南通人, 博士 , 主要研究方向为电池管理系统. 电话 ( Tel. ) : 021234206365. 杨林( 联系人 ) , 教授 , 博士生导师, 电话( Tel. ) : 021 234206365; E2mail: . cn. 文章编号 : 1006 22467(2009) 0821196205 电动汽车动力电池特性仿真系统 羌嘉曦 ,敖国强 ,何建辉 ,陈自强 ,杨林 ( 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240) 摘要: 为了更好地模拟动力电池的动态特性, 开发相应的控制策略, 建立了适用于电动汽车的动 力电池仿真平台,并且分别建立了动力电池剩余电量模型、 最大充放电功率模型和电池热模型. 基 于电动汽车的不同工况进行了动力电池系统的仿真. 结果表明 , 所建立的动力蓄电池模型能够很好 地模拟电动汽车运行过程中蓄电池组的动态行为, 为动力蓄电池管理系统软、 硬件的开发和电动汽 车整车控制策略的开发提供了良好的平台. 关键词 : 电动汽车 ; 动力电池 ; 荷电状态 ; 最大充放电功率; 热模型 中图分类号 : TM 912. 1文献标识码 : A Research on the Battery Simulation System of Electric Vehicles QI AN G Jia2xi,AO Guo2qiang ,H E J ia n2hui,CH EN Zi 2qiang ,YAN G Lin ( School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China) Abstract:Batteryis the key component of electricvehicles.In order to simulate the dynamic behavior of the batteryand develop the corresponding control strategy,a simulationsystem for battery was developed. The batterystate of charge model, maximal charge and discharge power model and thermal model were al2 so presented.The batter y simulationwas done based on the differentdrive cycles. The simulationr esults show that the battery models could simulate the dynamic behavior of the battery.T he simulationsystem provides a good platformfor the development of batterymanagement system and vehicle control strategy. Key words: electric vehicle;power batter y; state of charge; maximal charge and discharge power;ther mal model 电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、 燃料 电池汽车 , 它们都需要动力电池作为其主要的或者 辅助动力源 . 为了实现电动汽车整车与动力电池系 统的同步开发 , 缩短整车与电池管理单元( BPCM) 的研制周期并节省研制费用, 本文开发了电动汽车 动力电池仿真系统.该系统不仅可以用于电池管理 系统在开发过程中的软、硬件调试 , 还可以用于配合 整车动力系统的控制策略的开发. 1仿真平台设计 在电动汽车各控制器开发过程中, 蓄电池组及 其管理系统要做到既可以实时在线, 又可以进行离 线仿真 , 必须建立电池的模型及系统仿真平台, 以便 调试 BPCM 及其在整个动力总成控制系统中的配 合和协调作用.图 1( a)所示为动力总成硬件在环仿 真系统的 主监控界面, 是在 LabVIEW开发 平台下 图 1电动汽车硬件在环仿真系统监控界面 Fig. 1The monitor inter face of hardwar e inter2loop simulation system of electric vehicle 建立的 , 系统中的所有参数和手动控制变量都可以 在此界面中显示和控制. 图(a)中的控制面板及其后 台程序中包含了车辆仿真模型VMS 、 电机驱动系统 仿真模型 DMCM 、 动力蓄电池仿真模型和自动断路 器模 块 ( AutomaticDisconnectedModule, ADM ) 等.控制面板主要用于显示车辆功率需求、车速、电 机转速、转矩和电流、 点火开关和档位, 设置电机的 电流、 转矩、速度和逆变器的温度 , ADM和 BPCM 的状态还可以显示各仿真模型的一些运算结果. 面 板的后台程序完成了图中所有仿真模型的运算及其 与动力总成控制控制器PT CM 的数据传送 . 车辆控 制器模型是驾驶方式的模拟, 其主要在控制面板中 完成操作和显示; 相关状态和数据的传送及电机驱 动系统则在后台完成计算, 其结果在面板中显示. 动 力蓄电池监控面板如图1( b) 所示 , 其主要用于显示 蓄电池组端电压、 充放 电电流、 最大允许充放电电 流、 输出功率、SOC 和蓄电池组温度, 而且还可以设 置蓄电池组的一些基本参数和管理系统的故障状 态.要获得动力电池的这些参数, 必须建立相关的动 力蓄电池仿真模型,要求这些模型能够很好地模拟 电池的动态行为, 与车载使用状况相近. 2蓄电池模型 动力蓄电池模型是电池管理仿真系统的基础, 要求能够很好地模拟动力电池特性. 针对动力电池 在电动汽车上使用的要求和特点, 以额定容量为25 A # h、 额定电压为312 V 的镍氢电池为研究对象, 分别建立了SOC, 最大充放电功率( Pmax) 和电池热 模型 . 2. 1SOC和 Pmax模型 2. 1. 1电池 RC 模型及参数辨识借助电池 RC 1 模型 ( 见图 2) 对参数SOC 和 Pmax计算 . 图中 : Cb是 大电容 , 反映电池中储存电能能力的大小; Cs和 Rs 反映电池表面效应; Rt表示电池的终端内阻; Re表 示电池充放电反应时的极化内阻. 图 2电池 RC 模型 Fig. 2Battery RC model RC 模型不 仅能够 较好地 反映电 池的动 态特 性 , 而且它的计算阶数不高, 程序实时性较好. 它的 缺点是由于模型参数的不确定性, 将引起估计值的 偏差 . 为了消除模型参数不准确性引起的误差, 事先 在实验室条件下, 对电池进行相应的复合脉冲试验. 具体方法是 :在某一特定的温度下, 复合脉冲试验在 等间隔 的 SOC 点进 行, 通常选 取的 SOC 为 0. 2, 0. 3, , , 0. 8, 临近的脉冲试验之间电池处于搁置状 态 , 搁置时间为1 h( 见图 3) .在每个SOC 点复合脉 冲试验开始前要测量电池的开路电压. 考虑到电池 放电提供能力与充电接受能力的差异, 试验中放电 电 流要大于充电电流,具体数值根据电池额定容量 图 325bC 时电池 RC 模型 Rs、 Re、 Rt阻值分布图 Fig. 3The value of Rs, Reand Rtof batter y RC modle at 25bC 1197第 8 期 羌嘉曦 , 等: 电动汽车动力电池特性仿真系统 确定 . 模型采用在特定SOC 点进行模型参数辨识试 验,将模型参数离散为与SOC 对应的参数, 使用不 同温度时的电池试验数据进行参数辨识, 可建立起 温度与模型参数的函数关系. 在电动汽车仿真时, 通 过查表法得到不同温度和SOC 所对应的模型参数. 图 3 表明了在温度为25 bC时, RC 模型单体电池各 参数值 , 在该温度下 , Cb和 Cs分别为465. 228 kF 和 478 F. 2. 1. 2模型状态方程根据电池的RC 模型可得 如下的状态方程 2 : U # Cb U # C s = - 1 Cb( Re+ Rs) 1 Cb( Re+ Rs) 1 Cs( Re+ Rs) - 1 Cs( Re+ Rs) # UCb UCs + Rs Cb( Re+ Rs) Re Cs( Re+ Rs) I U0= Rs Re+ Rs Re Re+ Rs UCb UCs + Rt+ ReRs Re+ Rs I ( 1) 设: X = UCb UCs ,Y =U0 A( t) = - 1 Cb(Re+ Rs) 1 Cb(Re+ Rs) 1 Cs( Re+ Rs) - 1 Cs(Re+ Rs) B( t) = Rs Cb( Re+ Rs) Re Cs( Re+ Rs) C( t) = Rs Re+ Rs R e Re+ Rs D( t) =Rt+ ReRs Re+ Rs 当采样间隔T 很短时 , 可以近似得到 X # = X ( k + 1) T -X kT T ( 2) 因此 , 式( 1)的状态方程可以写成离散的形式: X( k+1) = TA ( k) + E X ( k) + TB( k) I Y( k) =C( k) X( k) + D( k) I ( 3) 式( 3) 为动力电池RC 模型的离散状态空间方 程.因此 ,在每个操作步长时UC b 和 UCs的值可以运 用迭代的方法算 出, 同 时电 池的端 电压 也可 以由 UCb、 UCs来确定 .由于电容Cb上的电压反映了电池 储存电量的大小, 故根据事先定义好的电池SOC 和 UCb之间的关系 ,算出当前 SOC 的值 . 电池的开路电压可由下式表示为 Uoc= RsUCb+ ReUCs Rs+ Re ( 4) 设电池所 能够达到的最小和最高电压分别为 Umin和 Umax, 则最大放电功率Pdismax和最大充电功率 P chmax可以表示为 : Pdismax=IUmin= Uoc-Umin Rt Umin Pchmax=I Umax= Umax-Uoc Rt Umax ( 5) 2. 2电池热模型 在充放电过程中, 蓄电池组本身会产生一定热 量 , 使温度上升 , 而温度又对蓄电池组的性能和寿命 有很大的影响.因此 ,在仿真系统中集成了电池的热 模型 , 估算不同工况下电池的温升情况,从而合理地 确定电池的输入输出功率,使电池温度保持在合理 的范围内 . 镍氢电池充电时放出的热量可以分成2 个阶段 , 分别表示为 3 : Qgen= Q1+ Q2+ Q3= -0. 547I + 3. 6I 2 R, 充电时 Q1+ Q2+ Q3+ Q4= ( 6) -5. 334I + 3. 6I 2 R, 充电末期或过充 放电过程中电池放出的总热量计算公式为 Qgen=Q1+ Q2+ Q3= -0.547I + 3. 6I 2 R( 7) 式中 : Q1为电化学反应热; Q2为电化学极化热; Q3 为电池内阻焦耳热 ; Q4为电池过充电氧 复合热 ; I 为电流 , 放电过程中为正值, 充电过程中为负值; R 为电池的全局内阻. 为了折算出电池在工作时的温升情况, 将动力 电池简化为 :内部电池 ( 热源 ) 和电池外壳 . 内部电池 将热量传导至电池外壳, 再由外壳外表面与外部流 动冷却空气进行热交换, 达到散热的目的 4 . 蓄电池 内部所有的组成部分, 如活性物质、正极和负极、隔板 等, 一起被假想成一个各向同性的整体. 因此, 可得 Qcase= T bat -T air Reff ( 8) 式中 : Qcase为 从电池外壳散到冷却空 气中的 热量 ; T bat为蓄电池组温度 ; T air为冷却空气温度 ; Reff为有 效热阻 . 将电池在充放电过程中产生的热量Qgen引入计 算并对时间进行积分, 电池的温升可以表示为 1198 上海交通大学学报 第 43 卷 $T bat = Q t 0 Qgen-Qcase mbatcp, bat dt( 9) 式中 : mbat为蓄电池组质量; cp , bat为内部电池平均比 热. 2. 3模型嵌入与流程设计 在建立了动力电池模型以后, 需要将其嵌入到 整个电动汽车硬件在环仿真系统中. 这种嵌入不是 单纯将其数学模型转化为程序代码嵌入到硬件在环 系统中去 , 而是要配合一定的控制策略和控制思想 并且定义好接口传递数据, 使其能够真正模拟实车 运行情况 . 嵌入的电池管理仿真程序控制思想与流 程如图 4 所示. 图 4电池管理系统硬件在环仿真程序流程图 Fig. 4The hardwar e in loop simulation flowchar t of battery managementsystem 3仿真结果 3. 1动力电池 RC 模型验证 电池等效电路模型的验证可以通过比较模型的 输出电压和实际电池的端电压来完成. 实验条件为 环境温度 25 bC, 初始 SOC 为 92% , 初始开 路电压 为 370 V, 图 5 所示为相同条件下U DDS 工况电池 电压仿真值与实验值的比较曲线. 电池端电压的实 验值是通过专门的电池检测设备测得, 模型的输出 电压是由式 ( 3) 中的端电压迭代算法算出. 由 图可 见 , 变电流充放电过程中, 电压仿真曲线能比较合理 地反应真实情况. 因此 , 本文采用电池RC 模型能够 实时模拟电池动态行为. 图 5UDDS 工况仿真电压值与实验值的比较曲线 Fig. 5Comparison of simulated voltage with experimental data under UDDS mode 3. 2能量优化控制策略的验证 图 6 所示是燃料电池电动汽车硬件在环仿真系 统分别运行EU2 、 高速公路 ( HFET )、 日本 JP1015 3 种不同工况时蓄电池组SOC 的变化曲线 . 由图 6 可见 , 不论运行哪种工况, 在动力总成控制系统当前 的控制策略下,工况结束时蓄电池组的SOC 基本在 75% , 即初始 SOC 附近 , 而且整个工况运行过程中, 蓄电池组SOC 基本运行在69% 76% , 较好地验 证了 SOC 能量平衡的控制策略. 图 6不同工况蓄电池组SOC 曲线 Fig. 6The batter y pack SOC curve of differ ent wor k conditions 3. 3最大充放电功率的仿真结果 动力蓄电池最大充放电功率表明了当前电池能 够吸收和放出能量的最大值, 通常是通过电池管理 单元将此信息传送给整车控制器, 是与整车动力性 和经济性紧密相关的参数.如果过低估计电池的最 大充放电功率,将限制整车的动力性和经济性, 影响 整车的能量分配效果; 如果过高地估计,那么势必将 损坏动力电池.与以往查MAP 的方式不同 , 本文借 助于电路模型可以对最大充放电功率做出较为合理 1199第 8 期 羌嘉曦 , 等: 电动汽车动力电池特性仿真系统 的判断 . 图 7( a) 所示为在U DDS 工况下的SOC 变 化曲线 , 图 7( b) 所示为对应的最大充放电功率. 由 图可见 , 随着 SOC 的下降 , 最大充电功率上升,最大 放电功率下降 . 当 SOC 在 50% 附近时 , 动力电池的 最大充电和放电功率有一个平衡点, 此时电池同时 具有比较好的充电和放电功率, 为整车运行提供了 一个比较好的SOC 区间依据 . 图 7UDDS 工况 SOC及其最大充、 放电功率变化曲线 Fig. 7The SOC and maximal charge and discharge power curves of UDDS work condition 3. 4温度仿真结果分析 图 8 所示为某循环工况, 通风情况对蓄电池温 升的仿真曲线 . 在蓄电池组温度小于35bC 时, 风扇 关闭 . 当温度高于35 bC 时 , 分别选择了3 种通风量 对电池冷却 , 并进行仿真计算. 由图 8 可见 : 风量越大 ,蓄电池温升越小. 当通 风量选择 0. 05 kg/ s 时, 该工况结束时, 蓄电池温度 仅在 40 bC. 通过硬件在环系统可以模拟各种工况, 获得蓄电池组在各个工况中的热行为, 为电池管理 系统的热设计提供了依据. 图 8冷却空气对电池温度的影响 Fig. 8Effect of cooling airflowon battery temperature 4结论 ( 1) 本文设计的电动汽车动力电池仿真系统是 动力总成硬件在环系统所不可缺少的部分, 所建立 的仿真平台能实时模拟电动汽车的各种行使工况. ( 2) 建立的动力电池SOC、 Pmax和热模型能很 好地模拟电池的动态行为,保证了动力电池仿真系 统的精度 . ( 3) 建立的动力电池仿真系统为动力电池管理软 硬件开发和整 车控制策略的开发提供 了良好的条件 . 参考文献 :