CN110450677B - 一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法 - Google Patents

一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，属于电池能量管理领域。本发明是解决了现有复合储能电动汽车的能量管理策略存在电池输出功率估算准确性差的问题，本发明采集动力电池在不同循环次数下大倍率充电过程中电池的最高温度，从而来估算电池内阻的变化以及电池的老化状态，并实时调整每次电动汽车运行的能量管理策略，防止电池因衰减导致的降低能效的情况；以及电池充电过程的最高温度可以直接采集或测量得到，简化了算法，提高了估算结果的准确性。本发明适用于电动汽车能量管理使用。

Description

一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理 方法
技术领域
本发明属于电池能量管理领域。
背景技术
锂离子电池以其比功率高、能量密度大、自放电率低和贮藏时间长等优点，正逐步取代其他电池成为主要的动力电池。虽然锂离子电池有很多优点，但随着大功率充放电循环次数的增多，锂离子电池的老化会导致电池的充放电性能出现问题，例如：各种活性物质活跃性降低，电芯电极的反应率低，石墨负极锂离子电池内部各类阻抗大幅增加，电池可用容量减少，输出功率明显下降，这对电动汽车的使用性能影响较大。而电动汽车仅采用电池供电不仅供电时间短且电池长期处于充放电过程造成电池的使用寿命严重缩短的问题。因此，现有电动汽车多数采用超级电容和锂离子电池配合使用，但是，在进行能量管理过程中多数采用理论计算电池和超级电容的剩余电量，来进行电动汽车的能量管理，但是通过理论估算的方式判断电池的输出功率存在明显的准确性差的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有复合储能电动汽车的能量管理策略存在电池输出功率估算准确性差的问题，提出了一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法。
本发明所述的一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集电池组第一次充电过程的最高温度Tint；设定电池阈值功率Pa和电池组的放电系数α的初始值；Pa和α均为正数；
步骤二、检测电池组的当前状态，判断电池组是否进行充电，若是，则执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、利用步骤一采集的电池第一次充电过程的最高温度Tint和电池组当前充电周期的最高温度，计算当前充电周期电池组的放电系数α的值；
步骤四、根据电动汽车运行参数，计算电动汽车的需求功率Pd，并根据所述系数α设定电动汽车能量管理策略为电动汽车提供能量或回收电动汽车的制动能量；执行步骤五；
步骤五、判断电池组的剩余电量是否大于阈值M，若是，则返回执行步骤二，否则，为电池组充电，返回执行步骤二，其中，M为电池组满电量的50％。
本发明通过采集动力电池在不同循环次数下大倍率充电过程中电池的最高温度，从而来估算电池内阻的变化以及电池的老化状态，并实时调整每次电动汽车运行的能量管理策略，防止电池因衰减导致的降低能效的情况；以及电池充电过程的最高温度可以直接采集或测量得到，进而避免了复杂的理论计算，简化了算法，提高了估算结果的准确性。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集电池组第一次充电过程的最高温度Tint；设定电池阈值功率Pa和电池组的放电系数α的初始值；Pa和α均为正数；
步骤二、检测电池组的当前状态，判断电池组是否进行充电，若是，则执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、利用步骤一采集的电池第一次充电过程的最高温度Tint和电池组当前充电周期的最高温度，计算当前充电周期电池组的放电系数α的值；
步骤四、根据电动汽车运行参数，计算电动汽车的需求功率Pd，并根据所述系数α设定电动汽车能量管理策略为电动汽车提供能量或回收电动汽车的制动能量；执行步骤五；
步骤五、判断电池组的剩余电量是否大于阈值M，若是，则返回执行步骤二，否则，为供电电池组充电，返回执行步骤二，其中，M为电池组满电量的50％。
进一步地，步骤三所述计算当前充电周期电池组的放电系数α的值的具体方法为：采用公式：
Figure BDA0002178051580000021
计算实现，其中，T为电池组当前充电周期充电过程的最高温度。
本发明中，Pa为设定的阈值功率，电池阈值功率Pa为电池组最大输出功率的30％，由于电池的使用车型不同，电池阈值功率Pa并不完全相同，当电池组超过此阈值功率时，电池组温度上升较快，从而加剧电池组的老化程度，在汽车大功率运行过程中，通过设置阈值功率的方式，利用放电系数来调整阈值功率，进而实现伴随电池老化程度调整输出的阈值功率，通过改变能量管理策略，采用超级电容和电池组共同为汽车提供功率，减缓电池的老化。
进一步地，步骤四所述的根据电动汽车运行参数，计算电动汽车的需求功率Pd，并根据所述系数α设定电动汽车能量管理策略为电动汽车提供能量或回收电动汽车的制动能量的具体方法为：
步骤四一、判断需求功率Pd是否大于0，若是执行步骤四二，否则执行子步骤四五；
步骤四二、判断需求功率Pd的值是否大于阈值功率Pa，若是执行步骤四二，否则执行步骤四六；
步骤四三、判断超级电容的荷电状态是否大于50％，若是执行步骤四四，否则执行步骤四六；
步骤四四、令电池组为汽车提供功率αPa，超级电容为汽车提供功率Pd-αPa；返回执行步骤四一；
步骤四五、判断超级电容的荷电状态是否大于90％，若是执行步骤四八，否则执行步骤四七；
步骤四六、由电池组提供汽车当前的需求功率Pd；返回执行步骤四一；
步骤四七、复合储能系统回收汽车的制动能量，为超级电容充电，当超级电容充满电时，为电池组充电；返回执行步骤四一；
步骤四八、复合储能系统回收汽车的制动能量，为电池组充电，返回执行步骤四一。
本实施方式所述的基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法适用于电动汽车符合储能电动汽车，所述电动汽车的辅助储能还可以采用增程器和蓄电池，符合储能系统还包括两个双向DC/DC变换器和逆变器；(当采用增程器作为辅助储能器件时，还包括双向AC/DC变换器)，实现在汽车运行中自动为供电器件充电，汽车运行过程中自动充电的能量来自电动汽车的制动能量，既提高了电动汽车电池的使用寿命，同时增加了电动汽车的续航能力。
本发明所述的基于老化状态估计的能量管理方法：由于电池随着充电次数的增大，内阻逐渐增大，从而电池在每次充电过程中的最大温度会变大，α＝第一次充电过程最大温度Tint/当前次充电过程最大温度T，随着老化程度的增加，当前次充电过程最大温度T逐渐增大，α逐渐减小，从而可以调整电池所输出的功率αPa，让电池输出的功率逐渐减小，让超级电容来承担更多的功率输出(即Pd-αPa)，减缓了电池的老化速度。
本实施方式以能量守恒方程为基础，温度T与电池产热的关系：
Figure BDA0002178051580000041
式中，m为电池质量；c为电池比热容；S为电池表面积；T为电池温度；Tamb为环境温度
h为电池与环境之间的对流换热系数；T为采集的电池每次充电最高温度，故温度变化率
Figure BDA0002178051580000042
公式可改写为：
Q＝hS(T-Tamb)
通过采集每次充电的最高温度，计算电池的产热量Q为：
Q＝I2Rnow
通过计算得到的电池产热量，I为电池的放电电流，由以上公式计算出当前时刻电池的内阻值，电池的充电倍率SOH与内阻的关系为：
Figure BDA0002178051580000043
其中，Rnow代表电池当前的内阻值，Rnew代表电池初始的内阻值，REOL代表当电池最大容量下降到初始值80％的内阻值，通过对多节同类型的电池进行加速老化实验，即多节电池进行反复的高温高压处理，或是进行过充过放实验，同时测量电池的容量值，当容量下降到初始值80％时，记录电池的内阻值REOL。通过以上公式便可计算电池当前的健康程度以及容量衰减程度，从而实现对电池的当前老化状态进行估计。因此，电池每次充电的最高温度会随着电池老化程度的增加而增加，在每次充电完成后，实时的采集电池每次充电的最高温度，并更新α的值，从而根据电动汽车电池的老化状态调整电动汽车在下一次运行过程中的能量管理策略。
在能量管理策略中，汽车通过判断当前汽车的工作状态，从而通过混合储能系统来提供或回收功率。若需求功率大于零，汽车工作在运行状态，需要混合储能系统提供功率；若需求功率小于零，汽车工作在制动状态，为复合储能系统充能。其中混合储能系统包括超级电容(功率型储能元件)和动力电池(能量型储能元件)。并判断超级电容当前的荷电状态，从而确定电动汽车的制动功率回馈路径并为复合储能系统充能，同时避免超级电容出现“满充”现象。
进一步地，该方法还包括对电池剩余电量实时监测的过程，将电池的剩余电量通过显示屏进行显示。当电池电量不足时，对电池组进行充电，并记录当前充电过程的最高温度，从而实时的改变α的值，调整下一次汽车的能量分配策略。
本发明提出的一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，通过采集电池的最高温度来估计电池的老化状态，从而实时的调整复合储能系统的能量分配，延长电池的使用寿命，同时把汽车制动时消耗掉的动能通过复合储能系统回收，在需求功率较大时与电池一起提供功率驱动汽车，达到节约能源的目的。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集电池组第一次充电过程的最高温度Tint；设定电池阈值功率Pa和电池组的放电系数的初始值；Pa为正数；
步骤二、检测电池组的当前状态，判断电池组是否进行充电，若是，则执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、利用步骤一采集的电池第一次充电过程的最高温度Tint和电池组当前充电周期的最高温度，计算当前充电周期电池组的放电系数α的值；
步骤四、根据电动汽车运行参数，计算电动汽车的需求功率Pd，并根据所述当前充电周期电池组的放电系数α设定电动汽车能量管理策略为电动汽车提供能量或回收电动汽车的制动能量；执行步骤五；
步骤五、判断电池组的剩余电量是否大于阈值M，若是，则返回执行步骤二，否则，为电池组充电，返回执行步骤二，其中，M为电池组满电量的50％。
2.根据权利要求1所述一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，其特征在于，步骤三所述计算当前充电周期电池组的放电系数α的值的具体方法为：采用公式：
Figure FDA0002827873550000011
计算实现，其中，T为电池组当前充电周期充电过程的最高温度。
3.根据权利要求1或2所述一种基于电池老化状态估计的复合储能电动汽车的能量管理方法，其特征在于，步骤四所述的根据电动汽车运行参数，计算电动汽车的需求功率Pd，并根据所述当前充电周期电池组的放电系数α设定电动汽车能量管理策略为电动汽车提供能量或回收电动汽车的制动能量的具体方法为：
步骤四一、判断需求功率Pd是否大于0，若是执行步骤四二，否则执行子步骤四五；
步骤四二、判断需求功率Pd的值是否大于阈值功率Pa，若是执行步骤四二，否则执行步骤四六；
步骤四三、判断超级电容的荷电状态是否大于50％，若是执行步骤四四，否则执行步骤四六；
步骤四四、令电池组为汽车提供功率αPa，超级电容为汽车提供功率Pd-αPa；返回执行步骤四一；
步骤四五、判断超级电容的荷电状态是否大于90％，若是执行步骤四八，否则执行步骤四七；
步骤四六、由电池组提供汽车当前的需求功率Pd；返回执行步骤四一；
步骤四七、复合储能系统回收汽车的制动能量，为超级电容充电，当超级电容充满电时，为电池组充电；返回执行步骤四一；
步骤四八、复合储能系统回收汽车的制动能量，为电池组充电，返回执行步骤四一。
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