基于某市典型公交循环工况的动力电池SOC变化规律研究

牛仁强　赵红　刘鹏　赵英良��

摘要：电动客车动力电池的荷电状态（SOC）的变换规律是电动汽车能量管理控制策略设计的基础，而动力电池SOC的变化规律又与其行驶工况紧密相关。本文依据循环工况采集标准，在某城市市区内确定了15条典型的公交车行驶路线，并采用全球定位系统（GPS）进行实车跟踪进行了数据采集，通过定步长工况分析法，构建了该市公交车的典型循环工况。然后在MATLAB中建立了电动客车锂离子动力电池的Thevenin模型进行仿真实验，得到了基于典型城市循环工况的电动客车锂离子动力电池SOC变化曲线，为后续控制策略的实现提供了基础。

关键词：城市循环工况；电动客车；锂离子动力电池；SOC

本文利用车载全球定位系统（GPS）测试了该市公交车的行驶工况，通过对采集的到得数据进行统计学分析，计算得到了市区公交车行驶工况的特征参数，然后构建出公交车行驶工况，并在MATLAB中建立了电动客车锂离子动力电池模型进行仿真实验，得到了基于该市典型城市循环工况的电动客车锂离子动力电池SOC变化曲线，为动力电池的保护和控制系统设计提供了理论依据。

1 该市典型循环工况的建立

目前，世界各国普遍采用一定时间段内车辆的“速度时间”变化关系表征车辆的行驶工况，该方法要求“车速时间”關系的主要特征（怠速时间、最高车速、平均车速等）要尽可能反映实际道路的情况。其一般建立的方法流程是：首先对选定道路上的车辆数据进行实际测试，然后按一定准则进行数据提取并进行统计学的分析计算从而建立能反映实际道路情况的行驶工况。

本文采用全球定位系统（GPS）对选定路线的实际车辆进行了数据采集，获得了实际道路的测试数据，选取定步长的数据解析方法，用统计学分析方法进行数据分析获得了行驶工况的运行时间、运行距离、最大速度、平均速度、加速度等行驶特征值，从而得到了高速和低速等不同速度区间的行驶工况，最终建立了该市城市典型公交循环工况。该循环工况总计行驶时间为20min20s，行驶总里程为5.90公里，最高车速60.2km/h，怠速时间368秒，怠速时间比例为28.5%。

2 电动客车锂离子动力电池模型的建立

本文电动公交车的车载锂离子动力电池模型采用目前广泛应用于电池管理系统（BMS）的一阶RC等效电路模型，该模型也叫做戴维宁（Thevenin）模拟模型。该模型在传统欧姆内阻模型的基础上增加一阶的容阻网络，阻容网络表示电池的模拟电池内部化学反应的极化特性，可以很好地表征电池的非线性特性。

本文选定的装配锂离子动力电池组和交流异步电动机纯电动客车，其参数如表格所示。

3 MATLAB仿真计算

（1）整车行驶动力模型的建立。本文汽车行驶的动力学平衡方程和整车参数建立了纯电动公交车的整车纵向行驶动力学模型。

（2）动力电池放电电流的计算。锂离子动力电池作为纯电动客车唯一的能量来源，必须满足整车驱动功率和各附件的能量需求。根据试验道路和试验工况的要求，忽略坡道阻力，可知锂离子动力电池在每一时刻所需要提供的功率，继而可以计算出在该市典型公交循环工况下的动力电池的放电电流I，如公式（3）所示。

I=1Uηηe（mgfcosαva3600+CDAv3a76140+δmva3600dvdt）

其中，Pb为整车行驶需求功率，也就是动力电池的输出功率；U为动力电池组两端输出电压；I为动力电池组输出电流；η为传动系传动效率；ηe为动力电池组效率；m为整车整备质量；g为重力加速度；CD为汽车空气阻力系数。

根据上述该市典型公交循环工况条件和车辆参数，在matlab中仿真计算整车需求功率和动力电池的放电电流的大小，最终计算结果如下图所示。

4 结果与讨论

本文构建了该市公交车的行驶工况，得到了基于该市典型城市循环工况的电动客车锂离子动力电池SOC变化曲线，为后续控制策略的实现提供了设计依据。

参考文献：

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