汽车蓄电池管理方法的研究*

孔伟伟,杨殿阁,李 兵,连小珉

(清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)



2015103

汽车蓄电池管理方法的研究*

孔伟伟,杨殿阁,李 兵,连小珉

(清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

针对汽车蓄电池的使用工况特点，基于安时积分法、开路电压法等经典蓄电池状态计算方法，提出了一种全新的综合性电池电量计算方法，对蓄电池全工况使用过程进行实时监控。并根据汽车用电器特点，合理规划汽车用电，防止电池过度放电，实现车载蓄电池的亏电保护，保证汽车常温起动能力。最后，通过实车试验验证了该方法的可行性和有效性。

汽车蓄电池；状态监控；荷电状态；亏电保护；起动能力

前言

近年来，国内外学者针对蓄电池的SOC估算方法展开了一系列的研究。文献[1]中介绍了常用的蓄电池电量估算方法，如放电实验法、安时计量法和开路电压法等。放电实验法采用恒定电流对电池放电，电流与时间的乘积即为剩余电量[2]。该方法一般被作为基准测量方法。安时计量法是估算电池SOC的最常用方法[3]，开路电压法[4]是利用铅酸蓄电池开路电压与SOC的线性关系获取荷电状态。以上几种方法均有误差，适用于不同的工况。在此基础上，国内外学者对车用蓄电池状态估算方法进行了改进。文献[5]中使用一种类似于安时计量法的线性模型法估计电池SOC，其原理是基于SOC的变化量、电流、电压和上一个时间点SOC值建立，通过实验数据得到最小二乘拟合的线性模型系数。文献[6]中提出了使用卡尔曼滤波的蓄电池模型，可得到对SOC的最小方差意义上的最优估计。文献[7]中提出了基于遗传神经网络的自适应电池荷电状态估测方法。

蓄电池荷电状态估算方法很多，但大都针对电动汽车，传统燃油汽车的蓄电池使用工况与其大不相同。另外，受到实际汽车使用的控制器性能、汽车起动型蓄电池工作工况和制造成本等因素的限制，上述方法对实时获取车载蓄电池荷电状态存在一定不足。

本文中针对传统燃油轿车蓄电池的使用工况特点，结合开路电压法、安时积分法等经典蓄电池SOC计算方法，提出了一种适合多种工况的电池电量计算方法，对蓄电池进行全工况实时的荷电状态监测。并在此基础上，结合汽车用电器特点，合理规划设计汽车用电，防止电池过度放电，实现车载蓄电池的亏电保护，保证汽车的起动能力。

1 蓄电池状态估算

1.1 蓄电池荷电状态定义

蓄电池的SOC是用来反映电池的剩余容量状况，其数值定义为电池剩余容量占电池容量的比[8]，即

SOC=QC/QI

(1)

式中：QC为电池剩余电量；QI为电池以电流I放电时具有的额定容量。

1.2 蓄电池状态估算方法

图1为蓄电池荷电状态估算方法的流程图。

如图1所示，汽车蓄电池的初始荷电状态未知，故首先利用开路电压法或电池充满条件确定电池的初始SOC。这两种方法获得SOC精确度较高，因此安时积分法以此精确的SOC为基准，利用相对计算的思想获取电池SOC。另外，根据此精确SOC更新总电量，清除电流累计误差。

以下对电池充满条件、开路电压法、安时法、参数更新和电池老化状态计算分别进行介绍。

(1) 电池充满特性

根据铅酸蓄电池充电特性，随着电池电量增加，充电电流逐渐减小。发电机负荷较小时，提供的最大电流大于当前用电器所需电流，蓄电池的充电电压为发电机调节器设定的输出电压。

因此蓄电池充满的判断条件为

(2)

式中：I为蓄电池工作电流，负值为充电电流；U为蓄电池电压；Ufull为电池充满时的浮充电压；δ为电压采集的误差区间。蓄电池使用工况较复杂，多种因素会导致蓄电池充电电流和电压波动，因此，为防止误判断，只有电流电压满足式(2)，并持续一段时间t，方可判断蓄电池充满。

蓄电池充满条件满足时，可精确得到SOC=100%。

(2) 开路电压法

铅酸蓄电池的开路电压与SOC有较好的线性关系，能较为精确地估算出电池荷电状态。汽车锁车静置时处于最低功耗状态，可近似认为电池输出开路。由于化学平衡过程需要一定的时间，蓄电池需要静置至少2h才能得到较为稳定的平衡开路电压[9]，因此，车辆锁车静置至少2h后，才可利用开路电压对蓄电池的荷电状态进行估算。

蓄电池的荷电状态受温度的影响，开路电压法计算SOC可表示为

SOC=A1(UOCV-kT(T-T0))+A2

(3)

式中：UOCV为蓄电池的开路电压；T为蓄电池温度；T0为标准温度，T0=20℃；kT为温度系数，取0.010 5[10]；A1、A2表示温度T0时，开路电压与SOC的线性拟合参数，通过电池放电实验标定为A1=0.877 7，A2=-10.380 8。

(3) 安时法

安时积分法适用于蓄电池全生命周期所有使用工况。本文中采用相对计算的思想，以电池充满条件和开路电压法获得的较精确SOC为基准，结合Peukert-安时积分法计算SOC，即

(4)

(5)

蓄电池的放电能力与放电电流的大小有关，放电电流大时，可放出的总电量远小于小电流放电时的总放电量。这种关系可以由Peukert特征系数表示[11]，经过Peukert特征系数修正后的放电时的电量可表示为

(6)

式中：i为蓄电池放电电流；In为10h放电率对应的额定电流；n为Peukert系数，通常为1.05～1.3[11]，通过电池放电实验标定为1.14；Δt为计算时间间隔。

蓄电池充电时的能量损耗利用充电效率η修正，充电时的电量为

(7)

(4) 参数更新

随着使用蓄电池，实际可用的总电量Qm在不断减少。实际可用总电量的更新仅在电池充满和开路电压法下进行，即

(8)

|SOC-SOClatest|>ΔSOC

(9)

本文计算时，选定ΔSOC=10%。

(5) 电池老化状态计算

蓄电池老化状态SOH(state of health)定义为

SOH=Qm/Qa

(10)

式中：Qa为蓄电池的额定总电量。

2 整车电器用电规划和亏电保护

2.1 汽车用电器分类

根据用电器对汽车行驶安全的影响性和重要性，整车电器可划分为以下4类。

(1) 娱乐性用电器 对汽车行驶安全并无影响，主要服务于驾驶员或乘车人员的休闲娱乐需求，如车内冰箱、座椅按摩和座椅加热等。

(2) 舒适性用电器 满足车内人员基本舒适性需求，对汽车行驶并无太大影响，如空调、音响、点烟器、天窗和备用电源等。

(3) 辅助行驶用电器 辅助驾驶员驾驶的用电设施，在一定程度上影响安全性和可靠性，如车窗电机、车前大灯和车内照明系统等。

(4) 安全行驶电器 保证汽车行驶的基础设施，与汽车行驶安全息息相关，如发动机控制单元、ABS系统和安全气囊等。

2.2 蓄电池的状态分区

汽车用铅酸蓄电池的状态平面如图2所示[10]。

该状态平面图由蓄电池健康状态SOH和SOC组成。区域1中SOH<60%，蓄电池已老化，需更换。在此课题研究中，仅考虑蓄电池正常工作区域，即区域2～6。其中，区域2不需要采取亏电保护措施，区域6为蓄电池的最低起动电量保留区域，区域3～5为电量过渡区域。

根据图2，对蓄电池进行状态分区，如图3所示。根据电池SOC将蓄电池状态分为安全区、保护区、警戒区、亏电区，以及最低起动电量保留区。安全区(SOCs

2.3 蓄电池亏电保护机制

为防止蓄电池过度放电，保证汽车起动能力，整车用电规划采用电池亏电保护机制。

如图4所示，一般情况下蓄电池处于安全区，此时汽车正常运行，未开启亏电保护机制。蓄电池的SOC低于安全区下限阈值SOCs时，根据汽车运行状态分别实行行驶亏电保护，怠速亏电保护和静置亏电保护。汽车行驶和怠速时，当电池SOC>SOCs，亏电保护机制解除。汽车静置时，打开发动机，即解除亏电保护机制。

图5为汽车行驶中亏电保护机制。当蓄电池处于保护区时，实行用电保护等级1，即指关闭汽车娱乐性用电器。通常情况下，此时蓄电池应停止放电，并由发电机向电池充电；若发电机出现故障导致电池电量继续减少低于保护区下限阈值SOCp时，则实行用电保护等级2，即关闭娱乐性电器和舒适性用电器，同时发出报警提示驾驶员查看发电机故障。

图6为汽车怠速时亏电保护机制。汽车怠速时，电池放电至保护区，多数由于怠速时发动机转速较低，用电负载过大超出发电机负荷。因此，首先提升发动机转速，若电池继续放电或某些汽车无法实现该功能时，实行用电保护等级1；若发电机出现故障或者电池电量减少低于保护区下限阈值SOCp时，则实行用电保护等级2。

汽车处于锁车静置状态时的亏电保护机制如图7所示。当蓄电池的SOC低于安全区下限阈值SOCs时，实行用电保护等级3，即关闭所有娱乐性和舒适性用电器(仅指在锁车时可以使用的电器)；若蓄电池继续放电至SOC

3 试验验证

按照上述方法在试验车上进行实现和验证。该试验车为一种以车载总线为基础的全分布式智能电器系统[12]，即全车所有电器均实现网络化和智能化，每个电器以独立节点的形式连入通信网络中，根据控制指令进行工作控制。

在蓄电池负极上加装传感器获取电池的工作电压、电流和温度，通过LIN总线发送至电池管理控制器，该控制器为全分布式智能电器网络中的网络节点，可通过CAN网络获取汽车状态信息，如发动机转速和车速等。电池管理控制器按照上述方法进行蓄电池状态估算，向网络中发送蓄电池状态信息，以及亏电保护控制信息，以实现整车电器用电规划和亏电保护。

3.1 蓄电池的状态估算验证

将蓄电池从充满状态放电至SOC达到设定的SOC值后关闭系统，将此蓄电池静置2h以上，随后根据恒流放电试验获得蓄电池的真实SOC。该设定的SOC即是利用本文中估算方法计算得到的SOC，与真实的SOC值比较判断SOC估算方法的合理性。

将蓄电池从充满状态放电至几个特定的SOC，试验过程中蓄电池SOC、蓄电池输出电流(放电电流为正)以及发动机转速曲线如图8～图11所示。

因此，利用估算方法计算获得的SOC与放电试验获得的真实SOC如表1所示。

表1 估算SOC与真实SOC比较 %

如表1所示，蓄电池的SOC估算值与真实值之间的偏差在±5%以内，可用于整车用电规划和亏电保护。试验结果验证了采用的蓄电池估算方法合理、有效。

3.2 蓄电池亏电保护试验验证

将蓄电池充满后，在发动机关闭情况下打开所有可用电器，试验过程中亏电保护等级变化、电池SOC和放电电流曲线如图12所示。

如图12所示，根据电池的不同荷电状态，对用电器实行不同的用电保护等级，直至最后进入最低起动电量保护等级，整车进入最低功耗状态。在试验车自动进入低功耗状态后的第7天，可顺利起动，唤醒所有电器。试验结果验证了电池亏电保护机制的可行性和有效性，保证了汽车的起动能力。

4 结论

针对传统燃油轿车蓄电池的使用工况特点，提出了一种适合多种工况的电池电量计算方法，有效地对蓄电池进行全工况实时的荷电状态监测。此外，对整车电器进行分类，制定了不同工况下亏电保

护机制，有效防止电池过度放电，实现蓄电池的亏电保护，以保证汽车的起动能力。

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A Research on the Management Method of Automotive Battery

Kong Weiwei,Yang Diange, Li Bing & Lian Xiaomin

DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

In view of the working features of battery, a novel comprehensive calculation method for the state of charge (SOC) of battery is proposed based on some typical SOC algorithms such as ampere-hour integration and open circuit voltage method, so as to monitor the whole process of battery operation at real time. Furthermore, the electricity use in vehicle is properly planned according to the features of vehicle appliances to prevent battery from over-discharging, achieve insufficient voltage protection of vehicle battery and ensure the starting capability of vehicle at normal temperature. Finally, the results of real vehicle tests verify the feasibility and effectiveness of the method proposed.

automotive battery; state monitoring; state of charge; insufficient voltage protection; starting capability

*国家863计划项目(2012AA111901)资助。

原稿收到日期为2013年4月15日，修改稿收到日期为2013年12月2日。