CN102121973A - 电动汽车动力电池净能量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动力电池净能量测试方法，其通过将处于放电截止电压的电池组以额定电流充电至充电截止电压，记录充入的能量，再将电池组以额定电流放电至预设SOC，记录第一次放出的能量，再对电动汽车进行工况循环试验，试验完成后，将电池组以额定电流放电到放电截止电压，记录第二次放出的能量；根据电池组的平均充放电效率获取工况循环试验中电池的能量变化量，根据电池充、放电能量效率模型对工况循环试验电池的能量变化量进行校正，得到工况循环过程中电池实际储存的电能，即电池的净能量。本方法一方面考虑了充放电效率对电池净能量的影响，测试准确度高，另一方面只需测出电动汽车在测试前后充进与放出的能量，方法容易实现。

Description

电动汽车动力电池净能量测试方法

技术领域

本发明涉及电动汽车能耗测试技术领域，特别涉及一种电动汽车动力电池净能量测试方法。

背景技术

动力电池是各类电动汽车中最常用的储能元件，其动力性能直接影响到电动汽车的运行成本以及使用寿命。因此必须充分利用电池组存储的有限能量以降低电动汽车的运行成本并延长使用寿命。目前对车用动力电池组能量优化、能量管理系统等方面的研究较多，但对于与电动汽车能耗和排放密切相关的电池净能量变化的研究较少。而研究电动汽车动力电池净能量具有显著的意义：1)为重型混合动力电动汽车整车能耗和排放测试提供了技术支持；2)已知电池的净能量，可求得电池在整车测试过程中的能量效率，进而可分析电池在工作中热量的产生，便于电池热管理，优化整车控制策略。

现有的电池净能量计算方法是直接通过电压、电流和时间积分来计算，得到电池净能量。该方法由于未考虑充放电效率的影响，且电压电流的准确获取受到测量仪器的限制，因此准确地获得电池净能量的变化值是很困难的。

因此，有必要提供一种改进的电动汽车动力电池净能量测试方法来克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车动力电池净能量测试方法，能准确获取电池净能量的变化值。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电动汽车动力电池净能量测试方法，包括如下步骤：

(1)确定荷电状态区间，根据电池组的额定容量及电池开路电压同荷电状态的定量关系计算该荷电状态区间内的电池净能量，计算公式为：

其中，ΔQ_n为净能量，C_n为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，U_OCV为电池开路电压，SOC为荷电状态；

(2)对电池进行多次放电实验，建立放电电流与放电能量效率关系的电池放电能量效率模型；

(3)将电动汽车放入测试车间，将处于放电截止电压的电池组以额定电流充电到充电截止电压，记录充电消耗的能量E₁，再以额定电流放电到放电截止电压，记录放电放出的能量E₂，根据公式计算电池组的平均充放电效率

(4)将电动汽车放入测试车间，将处于放电截止电压的电池组以额定电流恒流充电至充电截止电压，再以额定电流恒流放电至预设SOC，记录第一次放出的能量E_out1，再将电动汽车在底盘测功机转毂试验台上进行工况循环试验，记录工况循环试验的平均电流，工况循环试验完成后，以额定电流恒流放电到放电截止电压，记录第二次放出的能量E_out2；

(5)根据电池平均充放电效率

充电消耗的能量E₁、第一次放出的能量E_out1和第二次放出的能量E_out2计算工况循环实验的电池能量变化量ΔE₀，计算公式为：

根据额定电流和记录的工况循环试验的平均电流，利用电池放电能量效率模型分别计算预设充放电制度下的放电能量效率η_out和工况循环试验中的放电能量效率η_dis0，根据公式ΔE_t＝(ΔE₀/η_out)·η_dis0计算工况循环实验的电池净能量ΔE_t。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(1)中电池组的额定容量的确定步骤为：

将电池组以额定电流恒流放电至放电截止电压后，以额定电流恒流充电至充电截止电压，此时充入的电量即为电池组的额定容量。

在本发明的另一实施例中，所述步骤(1)中电池开路电压同荷电状态的定量关系的确定步骤为：

将电池组以额定电流恒流放电至放电截止电压，测试电动汽车为纯电动汽车时，额定电流为C/3，测试电动汽车为混合动力电动汽车时，额定电流为1C；

再将电池组以0.04C电流恒流充电25h后停止，记录总电压随荷电状态变化的充电曲线；

再将电池组以0.04C电流恒流放电25h后或至截止电压停止，记录总电压随荷电状态变化的放电曲线；

运用线性插值方法将充电曲线和放电曲线叠加，得到单体平均开路电压随荷电状态变化的开路电压变化曲线，

利用电池开路电压同荷电状态的关系式以及上述开路电压变化曲线获取关系式中的未知参数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀，得到电池开路电压同荷电状态的定量关系，其中关系式中y为开路电压，x为荷电状态。

在本发明的再一实施例中，所述步骤(2)具体为：

将电池以不同恒流从设定的初始SOC放电至设定的终止SOC，针对每个恒流，记录放电完毕后电池输出外界的能量Q_out以及电池净能量ΔQ_n，根据公式η_dis＝Q_out/ΔQ_n计算每个恒流对应的放电能量效率η_dis，将所有恒流及对应的放电能量效率进行曲线拟合，从而建立电池放电能量效率模型。

与现有技术相比，本发明电动汽车动力电池净能量测试方法考虑了充放电效率对电池净能量的影响，电池净能量测试的准确度高。

另外，本测试方法无需采用价格昂贵的测量仪器来获取电池的电压、电流值，只需要测出电动汽车在测试前后充进与放出的能量，从而获得工况循环中电池的能量变化量，进而通过校正得到电池的净能量，测试方法容易实现。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明电动汽车动力电池净能量测试方法流程图。

图2为图1所示电动汽车动力电池净能量测试方法中LiFePO4电池组单体平均开路电压随SOC变化曲线。

图3展示了图1所示电动汽车动力电池净能量测试方法中的LiFePO4电池组充电能量效率模型，其中黑色方点为实际测量得到的电池充电能量效率。

图4展示了图1所示电动汽车动力电池净能量测试方法中的LiFePO4电池组放电能量效率模型，其中黑色方点为实际测量得到的电池放电能量效率。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

下面结合附图和具体实例详细说明本发明电动汽车动力电池净能量测试方法的原理。本实施例电动汽车采用的电池组为国内某公司生产的LiFePO4型锂离子动力电池。

如图1所示，所述电动汽车动力电池净能量测试方法包括如下步骤：

步骤S1，依据国家标准，将电池组以额定电流(不同类型的电池的额定电流由相应的国家电池性能测试规范和电动汽车类型确定，当测试电动汽车为纯电动汽车(EV)时，本文选用的LiFePO4型锂离子动力电池额定电流为0.33C，即C/3，当测试电动汽车为混合动力电动汽车(HEV)时，本文选用的LiFePO4型锂离子动力电池额定电流为1C)恒流放电至放电截止电压，静置1h(国家标准规定电池放电完成后，静置1h待电池性能恢复后再进行接下来的充电实验)后，以额定电流恒流充电至充电截止电压(即将电池组充满电)，此时充入的电量为电池组的额定容量C_n；

步骤S2，依据国家标准，将电池组以额定电流(由2008年度EV、HEV用动力蓄电池性能测试规范确定：当测试电动汽车为纯电动汽车(EV)时，额定电流为C/3；当测试电动汽车为混合动力电动汽车(HEV)时，额定电流为1C)恒流放电至放电截止电压，静置1h(国家标准规定电池放电完成后，静置1h待电池性能恢复后再进行接下来的充电实验)后，以0.04C(C/25，由文献和实验测试确定低倍率电流为C/25)恒流充电25h(以0.04C恒流充电25h，电池容量(C/25)×25＝C，即电池充满电，而电池单体平均电压不会到达充电截止电压3.6V))后停止，记录总电压随SOC(荷电状态)变化的电池充电曲线，静置5h(由于用C/25电流恒流充电时，充电时间长达25h，且为了保证进行后续的放电实验前，电池性能已完全恢复且处于稳定状态，使后续放电实验的测量值足够准确，因此此处静置时间较长，为5h)后，以0.04C电流恒流放电25h后或至放电截止电压停止(以0.04C恒流放电25h，理论上将电池电放完，考虑到电池组成电池组模块后，单体不一致性加大，有可能造成电池放电还不到25h时有些单体电压已达到放电截止电压，为避免电池过放造成安全隐患，此时也应停止放电)，记录总电压随SOC变化的电池放电曲线，运用线性插值方法将充电曲线和放电曲线叠加，即可得到单体平均开路电压U_OCV随SOC变化的开路电压变化曲线(根据文献(期刊JOURNAL OF POWER SOURCES，文章名为Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Part2.Modeling and identification，作者Gregory L.Plett)和实验测试可知，以低倍率电流进行长时间充放电，将所得充放电曲线进行叠加，即可得到开路电压(OCV)随荷电状态(SOC)变化的关系曲线，此曲线与实际测量得到的OCV-SOC关系曲线误差很小，能正确反映一定荷电状态下电池的开路电压)，如图2所示(图2中的电压为总电压除以单体个数，即单体平均开路电压，圆点是实际测量得到的单体电池开路电压值，测量方法为电池所带的电量放完后充至一定的SOC，静置3h(开路电压指的是电池在非工作状态下，即电池没有外接任何负载的条件下，电路无电流流过时，用电表直接测量所得电池两接线柱间的电压值。因此进行开路电压测量时电池必须处于稳定状态，故当充至一定的SOC时，必须静置一定的时间，待电池性能稳定，目前所采用的静置时间一般为2-4h，我们在进行实验时选取的静置时间为3h，此时电池内部化学反应已趋于平衡，性能已基本完全恢复，再静置更长的时间，电池电压、温度基本没有变化)后测总电压，然后除以单体个数)，根据该开路电压变化曲线可得到对应荷电状态(SOC)点的开路电压U_OCV，利用LiFePO4电池开路电压同荷电状态(SOC)的关系式(由文献(期刊JOURNAL OF POWER SOURCES，文章名为Solid-state diffusion limitations on pulse operation of a lithium ion cell for hybrid electric vehicles，作者Kandler Smith，Chao-Yang Wang)得到，该关系式能准确反映一定荷电状态下电池的开路电压，此函数曲线与上述实测曲线相比，误差很小，拟合函数曲线的均方差小于0.002，相关系数大于0.999)以及上述开路电压变化曲线可迭代求得(1)式中的未知参数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀，得到LiFePO4电池开路电压同SOC的定量关系，其中LiFePO4电池开路电压同SOC的关系式如下：

$y=k_1{x}^6+k_2{x}^5+k_3{x}^4+k_4{x}^3+k_5{x}^2+k_{6}x+k_7+k_8{e}^{(k_9-x^{k_{10}})}---\left(1\right)$

(1)式中，y为开路电压U_OCV，x为SOC(荷电状态)；

步骤S3，确定荷电状态(SOC)区间，根据LiFePO4电池开路电压同荷电状态的定量关系计算该荷电状态(SOC)区间内的电池净能量：

其中，ΔQ_n为电池净能量，C_n为电池额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，U_OCV为电池开路电压，SOC为荷电状态；

步骤S4，依据国家标准规定，在20℃±5℃环境条件下，以不同充电电流(0.1C、0.33C、0.5C、1C、2C)进行充电实验，充电至一定的SOC，对每个充电电流，记录充电完成后外界输入电池的能量Q_in，并根据步骤S3中的公式计算充电导致SOC变化所对应的电池净能量ΔQ_n，由充电能量效率计算公式η_ch＝ΔQ_n/Q_in计算每个充电电流对应的充电能量效率η_ch，将实验数据进行曲线拟合，建立电池充电能量效率模型(如图3所示，其中黑方点为实际测量得到的电池充电能量效率，实线为充电能量效率二阶拟合曲线，为多个黑方点的连线，二次函数等式为所建立的充电能量效率模型)；依据国家标准规定，在20℃±5℃环境条件下，以不同放电电流(0.1C、0.33C、0.5C、1C、2C、3C)进行放电实验，放电至一定的SOC，对每个放电电流，记录放电完成后电池输出外界的能量Q_out，并根据步骤S3中的公式计算放电导致SOC变化所对应的电池净能量为ΔQ_n，由放电能量效率计算公式η_dis＝Q_out/ΔQ_n计算每个放电电流对应的放电能量效率η_dis，将实验数据进行曲线拟合，建立电池放电能量效率模型(如图4所示，其中黑色方点为实际测量得到的电池放电能量效率，实线为放电能量效率二阶拟合曲线，为多个黑方点的连线，二次函数等式为所建立的电池放电能量效率数学模型)；

步骤S5，将电动汽车放入测试车间，将电池组以国家标准规定的额定电流I₀(纯电动汽车额定电流I₀为C/3，混合动力电动汽车额定电流I₀为1C)恒流放电至放电截止电压(即将电池组剩余电量放光)，静置1h(国家标准规定电池放电完成后，静置1h待电池性能恢复后再进行接下来的充电实验)，以额定电流I₀恒流充电到充电截止电压，记录充电所消耗的能量值E₁，静置1h后，以额定电流I₀恒流放电到放电截止电压，记录从电池中放出的能量值E₂，则电池组的平均充放电效率为：

步骤S6，将电动汽车放入测试车间，将电池组以额定电流I₀(纯电动汽车额定电流I₀为C/3，混合动力电动汽车额定电流I₀为1C)恒流放电至放电截止电压(即将电池组剩余电量放光)，静置1h，以额定电流I₀(纯电动汽车为0.33C，混合动力电动汽车为1C)恒流充电至充电截止电压，记录充电消耗的能量值

即为步骤S5中的E₁，静置1h后，以额定电流I₀恒流放电至预设的SOC值(此值一般为80％，电动汽车用动力蓄电池常用荷电状态范围为20％-80％，电动汽车在工况循环行驶过程中，电池所储存的电量用于供汽车行驶，电池放出电量，SOC值减小，因此工况循环行驶前的预设SOC值一般设为80％-90％，以避免工况循环行驶后电池电量过低)，记录放出的能量值E_out1，静置1h后，在底盘测功机转毂试验台上，以中国典型城市公交循环进行工况循环试验，记录工况循环试验的平均电流I_av(平均电流I_av由所选用的工况循环决定，不同的工况循环下，电池的电流变化不一样，对整个工况循环过程中的电流进行求和平均，即可得到工况循环试验下的平均电流I_av)，工况循环试验完成后，静置1h后，以额定电流I₀恒流放电到放电截止电压，记录放出的能量值E_out2；

步骤S7，由步骤S5得到的电池平均充放电效率

得到电池实际获得的能量为则工况循环实验的电池能量变化量ΔE₀为：

$\mathrm{\Δ}{E}_0=E_{\mathrm{in}}*\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}-E_{\mathrm{out}1}-E_{\mathrm{out}2}=E_2-(E_{\mathrm{out}1}+E_{\mathrm{out}2});$

步骤S8，根据步骤S6的额定电流I₀和记录的工况循环试验的平均电流I_av，利用步骤S4的电池放电能量效率模型分别计算得到预设充放电制度(额定电流I₀)下的放电能量效率η_out和工况循环试验中的放电能量效率η_dis0，根据计算得到的预设充放电制度(额定电流I₀)下的放电能量效率η_out和工况循环试验中的放电能量效率η_dis0，以及步骤S7中求得的工况循环实验的电池能量变化量ΔE₀，计算工况循环实验的电池净能量变化量，计算公式为：

ΔE_t＝(ΔE₀/η_put)·η_dis0    (2)

电池净能量变化量ΔE_t即为工况循环试验过程中电池实际储存的能量，即工况循环过程中电池的净能量。

下面说明步骤S8的原理。试验证明，当脉冲充电的平均电流为I_av，ch，脉冲充电的能量效率与以相同平均电流I_av，ch恒流充电的能量效率基本相同；当脉冲放电的平均电流为I_av，dis，脉冲放电的能量效率与以相同平均电流I_av，dis恒流放电的能量效率基本相同。工况循环试验中电池的充、放电电流不断变化，所以当工况循环试验中电池充电和放电的平均电流与设定的恒流充放电制度的电流值(即额定电流I₀)相等时，脉冲充、放电的能量效率与恒流充、放电的能量效率相等，工况循环试验的能量变化量即为电池的实际能量变化量，即为工况循环试验过程中电池的净能量。

但是，由于实际工况循环中电池充电和放电的平均电流与预设充放电制度的额定电流I₀并不相等，因此需要校正，计算工况循环实验的电池能量变化量ΔE₀时，E₂、E_out1、E_out2均是在额定电流I₀下得到的，由放电能量效率模型计算可知此电流下的放电能量效率为η_out，从而可知E₂、E_out1、E_out2实际值应为E₂/η_out、E_out1/η_out、E_out2/η_out；已知工况循环试验下的平均电流为I_av，由放电能量效率模型计算可知此电流下的放电能量效率为η_dis0，此时记录的相应的放出能量应分别为(E₂/η_out)·η_dis0、(E_out1/η_out)·η_dis0、(E_out2/η_out)·η_ids0从而可知工况循环实验过程中电池的净能量变化量为：ΔE_t＝(E₂/η_out)·η_dis0-(E_out1/η_out)·η_dis0-(E_out2/η_out)·η_dis0，即ΔE_t＝η_dis0·(E₂-E_out1-E_out2)/η_out＝(ΔE₀/η_out)·η_dis0。故电池能量校正效率为：

其中η_dis0为循环工况下的放电能量效率，η_out为预设放电制度(额定电流I₀)下的放电能量效率，根据电池能量校正效率η得到ΔE_t＝＝ΔE₀·η。

由上可知，本发明电动汽车动力电池净能量测试方法通过仪器记录输入电池的能量E_in和电池输出的能量E_out1、E_out2(步骤S6)，由电池平均充放电效率

得到工况循环中电池的能量变化量ΔE₀(步骤S5和步骤S7)，能量变化量ΔE₀即为输入电池能量与电池输出能量之差；根据电池能量效率模型对工况循环试验的能量变化量ΔE₀进行校正，从而得出工况循环测试前后电池的净能量变化量ΔE_t(步骤S8)，即为工况循环试验过程中的电池净能量。

需要说明的是：1)步骤S5和S6均需在底盘测功机转毂试验台上进行；2)进行电池净能量台架测试时，步骤S4、S5和S6所处的外部环境条件(如环境温度等)应完全相同；3)由于电动汽车在工况循环行驶过程中，动力电池大部分时间处于放电状态，因此在进行后续的能量校正的过程中，主要考虑的是放电能量效率的影响，而忽略了充电能量效率的影响，因此没有用到充电能量效率模型，试验证明，同时考虑充电能量效率的影响和放电能量效率的影响与仅考虑放电能量效率的影响校正效果几乎一样。

本电动汽车动力电池净能量测试方法的优点是：

1)通过步骤S4建立的电池充、放电能量效率模型，使得在步骤S8计算电池净能量的过程中考虑了充、放电电流对能量效率的影响并进行了相应的校正，提高了电池净能量测试的准确性。

2)通过步骤S5和S6测得的工况循环能量变化量考虑了充、放电效率的影响，进而使得求得的工况循环能量变化量更加准确。且测试关心的是输入电池的能量与电池输出的能量，因此对工况循环动态过程量的测试要求降低，无需采用价格昂贵的高精度测试仪器，降低了测试成本与测试难度，从而具有很强的操作性和实用性。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (4)

1.一种电动汽车动力电池净能量测试方法，包括如下步骤：

(1)确定荷电状态区间，根据电池组的额定容量及电池开路电压同荷电状态的定量关系计算该荷电状态区间内的电池净能量，计算公式为：

其中，ΔQ_n为净能量，C_n为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，U_OCV为电池开路电压，SOC为荷电状态；

(2)对电池进行多次放电实验，建立放电电流与放电能量效率关系的电池放电能量效率模型；

(3)将处于放电截止电压的电池组以额定电流充电到充电截止电压，记录充电消耗的能量E₁，再以额定电流放电到放电截止电压，记录放电放出的能量E₂，根据公式

计算电池组的平均充放电效率

(4)将处于放电截止电压的电池组以额定电流恒流充电至充电截止电压，再以额定电流恒流放电至预设SOC，记录第一次放出的能量E_out1，再将电动汽车在底盘测功机转毂试验台上进行工况循环试验，记录工况循环试验的平均电流，工况循环试验完成后，以额定电流恒流放电到放电截止电压，记录第二次放出的能量E_out2；

(5)根据电池平均充放电效率

充电消耗的能量E₁、第一次放出的能量E_out1和第二次放出的能量E_out2计算工况循环实验的电池能量变化量ΔE₀，计算公式为：

根据额定电流和记录的工况循环试验的平均电流，利用所述电池放电能量效率模型分别计算预设充放电制度下的放电能量效率η_out和工况循环试验中的放电能量效率η_dis0，根据公式ΔE_t＝(ΔE₀/η_out)·η_dis0计算工况循环实验的电池净能量ΔE_t。

2.如权利要求1所述的电动汽车动力电池净能量测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中电池组的额定容量的确定步骤为：

将电池组以额定电流恒流放电至放电截止电压后，以额定电流恒流充电至充电截止电压，此时充入的电量即为电池组的额定容量。

3.如权利要求1所述的电动汽车动力电池净能量测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中电池开路电压同荷电状态的定量关系的确定步骤为：

将电池组以额定电流恒流放电至放电截止电压，测试电动汽车为纯电动汽车时，额定电流为C/3，测试电动汽车为混合动力电动汽车时，额定电流为1C；

再将电池组以0.04C电流恒流充电25h后停止，记录总电压随荷电状态变化的充电曲线；

再将电池组以0.04C电流恒流放电25h后或至截止电压停止，记录总电压随荷电状态变化的放电曲线；

运用线性插值方法将充电曲线和放电曲线叠加，得到单体平均开路电压随荷电状态变化的开路电压变化曲线，

利用电池开路电压同荷电状态的关系式

以及上述开路电压变化曲线获取关系式中的未知参数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉、k₁₀，得到电池开路电压同荷电状态的定量关系，其中关系式中y为开路电压，x为荷电状态。

4.如权利要求1所述的电动汽车动力电池净能量测试方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

将电池以不同恒流从设定的初始SOC放电至设定的终止SOC，针对每个恒流，记录放电完毕后电池输出外界的能量Q_out以及电池净能量ΔQ_n，根据公式η_dis＝Q_out/ΔQ_n计算每个恒流对应的放电能量效率η_dis，将所有恒流及对应的放电能量效率进行曲线拟合，从而建立电池放电能量效率模型。

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