【《重组电池包性能优化控制策略分析案例》3700字】

重组电池包性能优化控制策略分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24212重组电池包性能优化控制策略分析 1199731.1重组电池包容量最大化控制策略 1212201.2重组电池包功率能力优化 620851.2.1重组电池包充电功率能力最大化调整策略 893361.2.2重组电池包放电功率能力最大化调整策略 9174531.3重组电池包容量衰减速度优化策略 101.1重组电池包容量最大化控制策略对于图4-1所示串联电池组，记第k节单体的容量为（5-1）其中和分别为第k节单体的剩余电荷量和空余容量。若第i节单体为SOH最小的单体，则该单体的容量为：（5-2）由第4章推导可知，串联电池组的剩余电荷量和空余容量分别为：（5-3）则重组电池包的容量为：（5-4）因为且，则有以下不等式成立（5-5）即，由此可知重组电池包的容量最大不超过SOH最小的单体容量。由上述分析可知，重组电池包的最大容量即SOH最小的单体的容量，为使重组电池包的容量达到最大，则需要调整各单体的SOC使电池组在充放电在过程中SOH最小的单体能满充满放。因此，各单体的剩余电荷量和空余容量需要满足如下条件：（5-6）其中和分别为SOH最小的单体的剩余电荷量和空余容量。将公式（4-1）、（4-2）代入上式可得，重组电池包的容量最大化控制策略为（5-7）即调整各单体的SOC使各单体的剩余电荷量和空余容量均大于SOH最小的单体，以达到使SOH最小的单体可以满充满放的目的。为减少调整次数，则考虑优先调整SOH最小的单体，具体调整步骤如下：1）检测各单体的SOC、SOH数据；2）计算各单体的及；3）将上调至，其中为空余容量最小单体的SOC；4）将的电池，充电至；对于一个由N节单体串联组成的电池组，调整流程图如下：图5-1重组电池包容量最大化调整流程图为验证上述调整策略，在研究对象中选择4节SOH相差10%左右的单体进行串联，并对各单体的SOC进行如下设定：表5-1各单体初始状态电池标号容量/AhSOH/100%SOC/100%1#51.6886.13204#49.8483.07406#51.9793.28608#56.4694.180对于上述4节单体，4#单体的SOH最小，则i即为4。将上述单体串联后进行电池组容量标定测试，三次标定结果如下表5-2容量优化前电池组容量标定结果实验次序第1次第2次第3次平均值容量/Ah21.422521.448921.737121.5362下图为容量标定时充放电过程中各单体的端电压和SOC随电池组SOC的变化曲线。图5-2优化前各单体端电压和SOC随电池组SOC变化曲线从上图各单体的端电压随电池组SOC变化曲线可以看到，当电池放电时，1#单体最先达到下限截止电压，充电时8#单体最先到达上限截止电压，4#、6#单体既无法充满也无法放空；从各单体的SOC随电池组SOC变化曲线可以看到电池组在充放电过程中，1#单体的SOC只能在0~0.4之间变化，4#单体的SOC在0.2~0.6左右变化，6#单体的SOC则在0.4~0.8左右变化，而8#单体的SOC则在0.6~1左右变化，所有单体都无法满充满放，SOH最小的4#电池的容量也无法被充分利用，图5-3为重组电池包中各单体的可用容量简化模型。图5-3容量优化前各单体可利用容量简化模型上图中液面高度表示各单体串联时的初始荷电状态，阴影色块表示在电池组充放电过程中各单体可利用的SOC区间。从上图5-3可以看出，在进行容量优化前，电池组充电结束时仅有8#单体可以被充满，放电结束时仅有1#单体可以放完，而SOH最小的4#单体的容量也仅被利用了其中一部分，从容量标定结果来看，1#、4#、6#、8#电池分别以初始SOC为20%、40%、60%、80%组成的串联电池组的实际可用容量仅有21.54Ah。按照本文提出的容量优化方案对各单体的剩余电量进行调整，分别计算各单体的及如下：表5-3各单体的初始剩余电荷量及空余容量电池标号1#0.1720.6894#0.3320.4986#0.560.3738#0.7530.188根据重组电池包容量最大化调整流程，将4#单体的SOC上调至，1#和7#电池需要上调SOC至。表5-4容量优化后各单体的剩余电荷量及空余容量电池标号1#0.6890.1724#0.6650.1666#0.7460.1878#0.7530.188调整后电池组中各单体的实际可利用容量简化模型如下：图5-4容量优化后各单体可利用容量简化模型从上简化模型图可看出，优化调整后，SOH最小的4#单体可以满充满放，其他单体的利用率相较优化前也有明显提升。对优化调整后的重组电池包进行容量标定测试，容量标定时各单体在充放电过程中的端电压变化如下图所示：图5-5优化后各单体端电压和SOC随电池组SOC变化曲线由上图可以看出，优化调整后的重组电池包在充电和放电过程中，均为4#单体最先达到截止电压，从SOC的变化曲线也可以看出，电池组的SOC变化趋势几乎和4#单体的SOC变化趋势重合，4#单体可以满充满放。表5-5调整后电池组容量标定结果实验次序第1次第2次第3次平均值容量/Ah49.3949.4249.4349.41从容量标定的结果来看，优化后的重组电池包从优化前的21.54Ah增加到了49.41Ah，此时由该组单体电池组成的重组电池包容量也达到了最大值，即SOH最小的4#单体的容量。既验证了重组电池包的容量计算公式，也验证了容量优化调整策略的正确性。1.2重组电池包功率能力优化由4.1.2节分析可知，重组电池包的最大功率能力与各单体的开路电压OCV以及内阻有关，而电池的开路电压和荷电状态SOC存在一定的对应关系，并且电池的充放电内阻也和电池的荷电状态SOC存在一定的相关性，以放电为例，图5-6为各单体的OCV-SOC和各单体在不同SOC点的放电内阻曲线。图5-6各单体的OCV-SOC、R-SOC对应关系曲线由上图可以看到，各单体的开路电压和内阻均与SOC具有一定程度的对应关系，并且不同单体的参数随SOC变化的趋势基本一致。开路电压OCV随电池荷电状态SOC的下降而降低。而电池的放电内阻随SOC下降呈增大趋势。因此电池组的功率能力优化调节主要通过调节各单体的SOC来完成。电池的功率能力分为充电功率和放电功率，而充电功率和放电功率随SOC变化的趋势相反，通过调节电池的SOC提高电池的充电功率能力则电池的放电功率能力势必会下降，图5-7为1#电池在不同SOC点的充放电功率曲线。图5-71#电池在不同SOC点的充放电功率曲线由上图可以看到，电池充电功率随SOC增大而减小，而放电功率随SOC增大而增大，二者成反比关系，提高充电功率势必造成放电功率下降，因此将功率最大化根据不同使用场景分为充电功率最大化和放电功率最大化进行优化调整。1.2.1重组电池包充电功率能力最大化调整策略充电功率能力在实际应用场景中主要体现为电动车辆的能量回收能力，充电功率能力大的电池在车辆制动时，可承受更大的充电功率以增大能量回收率。由公式（2-13）可知，增大电池的充电功率能力，主要可通过降低电池的开路电压以及减小电池的充电内阻来实现。由图5-6可知，电池的SOC越小，电池的开路电压和充电内阻越小，因此，可以考虑调低各单体电池的荷电状态以达到增大充电功率能力的目的。充电功率优化时应保证重组电池包的容量不下降，因此需要保证重组电池包的容量最大化的基础上进行调整，使调整后的电池组可利用容量区间达到以下状态：图5-8充电功率最大时各单体的荷电状态此时即可满足重组电池包在容量最大化的前提下，电池组的开路电压和充电内阻最低，而此时各单体电池可同时放完，即各单体的剩余电荷量相同。（5-8）为满足上述条件，则各单体的SOC应做如下调整：（5-9）其中、分别为SOH最小的单体的荷电状态和健康状态。调整流程如下图所示：图5-9充电功率最大化调整流程图1.2.2重组电池包放电功率能力最大化调整策略在车辆运行过程中，放电峰值功率的大小决定了车辆的爬坡性能、急加速和重载等能力。与充电功率相反，提高放电功率能力需要提高电池的开路电压，降低放电内阻，在保证重组电池包容量最大化的前提下，将各单体的SOC尽可能地调高。图5-10放电功率最大时各单体的荷电状态在此状态下，电池组各单体可以同时充满，即空余容量相同，且在电池组的各SOC点处，各单体的开路电压最高，放电内阻最小。（5-10）各单体的SOC应调整为（5-11）调整流程如下：图5-11放电功率最大化调整流程图1.3重组电池包容量衰减速度优化策略由第4.2.2节分析可知，电池工作在不同的SOC区间，容易导致各单体的老化速度不同，加剧电池组的不一致性。在充放电过程中，应尽可能保证电池工作在SOC的中间区域。在上一节中，研究了通过调整各单体的SOC以达到电池组的容量最大化的调整策略，但如图5-5所示，调整后各单体在充放电时依然存在SOC工作区间不合理的问题。记第k节单体在电池组放电截至时的残余电荷量为，充电截至时的空余容量为（5-12）电池组放电截至时各单体的残余电荷量为、充电截至时的空余容量为与各单体的容量、电池组容量有以下关系，（5-13）其中为第k节单体的容量，为电池组的容量，经过容量优化调整后，电池组的容量即SOH最小的单体的容量。（5-14）为保证电池组在经过容量优化后，各单体的SOC尽可能地工作在中间区域，应在SOC调整时，保证电池组容量最大化的基础上，使电池组放电截至时各单体的残余电荷量与电池组充电截至时各单体的空余容量相等。（5-15）则由公式（5-12）和公式（5-15）可得各单体的荷电状态应调整为（5-16）图5-12SOC最佳工作区间仍以1.1.1节中所选4节单体为例，按照公式（5-16）对各单体的SOC进行调整，调整后各单体的状态如下表所示。表5-6SOC工作区间调整后各单体的状态电池标号SOC/100%1#40.3560.3480.5144#400.3320.4986#41.0950.3830.5498#41.1730.3870.554对调整后的电池组进行容量标定，电池组充放电过程中各单体的SOC变化曲线如下：图5-13SOC工作区间调整