CN104065122B - 一种电动汽车电池的充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池的充电方法，在电动汽车进行能量回馈时，通过估算电池的SOC,查询电池SOC与电池允许的最大充电电流的曲线，得到电池允许的最大充电电流，再通过电流控制方法，降低电动汽车的制动力矩，使能量回馈时的充电电流不大于电池最大的允许充电电流，保证了电池充电安全。在保证电池安全的同时，又尽量提高电机的输出电流，使其接近电池的最大允许充电电流，提高了充电效率。

Description

一种电动汽车电池的充电方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动汽车电池的充电方法。

背景技术

节能环保已经成为当今社会发展所面临的重要问题，燃料汽车的大量使用已经严重制约了当今社会的环保，所以新能源汽车越来越受到各国政府的重视。根据电动汽车科技发展“十二五”专项规划，2015-2020年继续推进以小型电动汽车为代表的纯电驱动汽车规模产业化，并开始启动下一代纯电驱动汽车产业化进程。在此阶段，以下一代动力电池技术路线为主导，开启下一代动力电池和燃料电池产业化，确立纯电驱动轿车主导商业模式，并完善发展基础设施网络，提高车网融合程度，到2020年左右，为实现各类电动汽车推广普及提供技术支撑。

电动汽车在能量回馈时，现有的电动汽车电池充电方法属于不可控的充电方法，在这种情况下，容易导致电池的充电电流过大，严重时会导致电池损坏，影响行车安全。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车电池的充电方法，使能量回馈时的充电电流不大于电池最大的允许充电电流，保证了电池充电安全，同时有提高了充电效率。

为实现上述发明目的，本发明一种电动汽车电池的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、通过传感器采集电池输入端的电流、电池充电倍率以及电池的温度；

(2)、根据自适应SOC估计算法，估算出电池的SOC；

(3)建立电池SOC与最大允许充电电流的曲线：

(3.1)、建立荷电状态方程：

$SOC=\frac{Q_c}{Q_n}=1-\frac{Q_i}{Q_n}=1-\frac{{\mathrm{\ηQ}}_I}{Q_n}$ (a)

其中,Q_n为电池标称容量，单位为Ah；Q_c为电池剩余电量，单位为Ah，是指当前电量状态下，电池以室温25℃、C/30倍率完全放电至放电截止电压所获得的全部电量；Q_i为电池标准已用电量，单位为Ah，数值上等于标称容量与标准剩余电量的差值；Q_I为实际已用电量，单位为Ah，是指电量完全充满的电池以实际工作温度及放电倍率下所放出的电量；η为电池效率系数，包括温度影响系数η_T和充放电倍率系数η_i，它们之间的关系为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{{\mathrm{\η}}_T};$

(3.2)、引入马斯曲线：

I_c＝I₀e^-αt(b)

其中，I_c为电池的最大允许充电电流，单位为A；I₀为t＝0时刻电池的最大允许充电电流，单位为A；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，单位为1/s，α＝I₀/C，C为电池的额定容量；t为充电时间，单位为s；

(3.3)、建立电荷量与荷电状态的关系：

Q_I＝Q_n(1-SOC_t1)(c)

其中，为t₁时刻电池的SOC值；

(3.4)、建立充电电流和还需充入的电量的关系：

$Q_I=\underset{t_1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{I}_{c}dt$ (d)

(3.5)、得到荷电状态与电池的最大允许充电电流之间的关系

将式(b)代入式(d)得到：

$e^{-{\mathrm{\αt}}_1}=\frac{\mathrm{\α}}{I_0}{Q}_I$ (e)

再将式(c)和(e)代入式(b)得到电池的最大允许充电电流I_c

$I_c={\mathrm{\αQ}}_n(1-{\mathrm{SOC}}_{t_1})$ (f)

(4)、通过充电电流控制算法，减小电机的制动力矩，使实际充电电流与电池的最大允许充电电流相同；

(4.1)、驱使电机稳定运行；

(4.1.1)、当电机起动时，通过采样得到电机三相电流，经过clark、park变换得到旋转坐标系下的励磁电流I_sd和电枢电流I_sq；

(4.1.2)、通过磁通观测器计算磁链幅值，转差，最终计算得到磁场旋转角θ；

(4.1.3)、由光电编码器获得的电机转速ω，与给定转速ω^*比较，获得的偏差经过速度PI调节器，得到由电流q轴分量决定的转矩参考值再通过计算转矩电流的方法得到转矩电流Isq.ref；

(4.1.4)、转矩电流Isq.ref与电枢电流I_sq偏差经过PI调节器后输出转子同步坐标系下的电压分量U_q；

(4.1.5)、由励磁电流参考值与励磁电流I_sd的偏差经过PI调节器输出为转子同步坐标系下的电压分量U_d；

(4.1.6)、U_d、U_q经过PARK逆变换转换为静止坐标αβ下的电压分量U_α,U_β，通过SVPWM逆变调节，将SVPWM调制信号供给逆变器，用逆变器输出三相电压驱动电机稳定运行；

(4.2)、电机能量回馈制动；

(4.2.1)、当电机制动时，电机运行于发电机状态，采集励磁电流I_sd,电枢电流I_sq；

(4.2.2)、通过I_sd和I_sq计算得到电机输出电流I_s；

(4.2.3)、将计算得到的电机输出电流I_s与电池的最大允许充电电流做差，通过PI调节得到I_sq期望值的补偿量，对矢量控制的转矩电流Isq.ref进行修正。

其中，所述的磁场旋转角θ的计算方法为：

a)、计算磁链幅值ψ_r：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{T_{r}p+1}{I}_{sd}$

其中，磁链幅值ψ_r的单位为Wb，T_r为转子时间常数,单位s，L_m为电机定、转子互感,单位H，I_sd为励磁电流,单位为A，P为微分算子；

b)、计算转差ω_s：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{I_{sq}{L}_m}{T_r{\mathrm{\ψ}}_r}$

其中，转差ω_s的单位为rad/s，I_sq为电枢电流,单位A；

c)、计算同步转速ω_e：

ω_e＝n_pω+ω_s

其中，同步转速ω_e的单位为rad/s，ω为电机实际转速，单位为rad/s，ω_s为转差，单位为rad/s，n_p为电机极对数；

d)、计算磁场旋转角θ：

θ＝∫ω_eds。

所述的电机输出电流I_s的计算方法为：

$I_s=\sqrt{I_{sd}^2+I_{sq}^2}.$

进一步地，所述计算转矩电流Isq.ref的方法为：

$Isq.ref=\frac{L_r}{n_p{L}_m^2{I}_d^{*}}{T}_e^{*}$

其中，L_r表示转子电感，单位H,n_p为电机极对数,L_m为电机定、转子互感,单位H，为励磁电流参考值，单位为A，为转矩参考值，单位为N·m。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明电动汽车电池的充电方法，在电动汽车进行能量回馈时，通过估算电池的SOC,查询电池SOC与电池允许的最大充电电流的曲线，得到电池允许的最大充电电流，再通过电流控制方法，降低电动汽车的制动力矩，使能量回馈时的充电电流不大于电池最大的允许充电电流，保证了电池充电安全。在保证电池安全的同时，又尽量提高电机的输出电流，使其接近电池的最大允许充电电流，提高了充电效率。

同时，本发明电动汽车电池的充电方法还具有以下有益效果：

(1)、当电动汽车在进行制动时，电机的输出电流将会被控制在电池的最大允许充电电流附近，防止了在能量回馈过程中，因为电流过大导致的电池损坏，保证了电池的安全；

(2)、在实际的能量回馈过程中，尽量提高电机的输出电流，使其接近电池的最大允许充电电流，提高了充电效率。

附图说明

图1是本发明一种电动汽车电池的充电方法的流程图；

图2是图1所示建立电池SOC与最大允许充电电流曲线的流程图；

图3是拟合出的电池SOC与最大允许充电电流的曲线图；

图4是充电电流控制算法的原理框图；

图5是电动汽车能量回馈过程中电池的充电电流示意图；

图6是电动汽车充电电流误差的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种电动汽车电池的充电方法的流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种电动汽车电池的充电方法，包括以下步骤：

S1)、通过传感器采集电池输入端的电流、电池充电倍率以及电池的温度；

本实施例中通过电流传感器采集电池输入端的电流和电池充电倍率，通过温度传感器采集电池的温度；

S2)、根据自适应SOC估计算法，估算出电池的SOC；

$SOC={\mathrm{SOC}}_0-\frac{1}{C_I}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{\η}Idt$

其中，SOC₀代表的是初始状态的的荷电状态，SOC代表的是下一状态的荷电状态，η代表充放电效率，τ为充放电时间，C_I表示电池充满后以额定电流I放电至规定的终止电压时所放出的总电量，单位为C；

S3)、如图2所示，建立电池SOC与最大允许充电电流的曲线：

S3.1)、建立荷电状态方程

$SOC=\frac{Q_c}{Q_n}=1-\frac{Q_i}{Q_n}=1-\frac{{\mathrm{\ηQ}}_I}{Q_n}$ (a)

其中,Q_n为电池标称容量，单位为Ah；Q_c为电池剩余电量，单位为Ah，是指当前电量状态下，电池以室温25℃、C/30倍率完全放电至放电截止电压所获得的全部电量；Q_i为电池标准已用电量，单位为Ah，数值上等于标称容量与标准剩余电量的差值；Q_I为实际已用电量，单位为Ah，是指电量完全充满的电池以实际工作温度及放电倍率下所放出的电量；η为电池效率系数，包括温度影响系数η_T和充放电倍率系数η_i，它们之间的关系为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{{\mathrm{\η}}_T};$

S3.2)、引入马斯曲线

I_c＝I₀e^-αt(b)

其中，I_c为电池的最大允许充电电流，单位为A；I₀为t＝0时刻电池的最大允许充电电流，单位为A；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，单位为1/s，α＝I₀/C，C为电池的额定容量；t为充电时间，单位为s；

S3.3)、建立电荷量与荷电状态的关

$Q_I=Q_n(1-{\mathrm{SOC}}_{t_1})$

(c)

其中，为t₁时刻电池的SOC值；

S3.4)、建立充电电流和还需充入的电量的关系

$Q_I=\underset{t_1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{I}_{c}dt$ (d)

S3.5)、得到荷电状态与电池的最大允许充电电流之间的关系

将式(b)代入式(d)得到：

$e^{-{\mathrm{\αt}}_1}=\frac{\mathrm{\α}}{I_0}{Q}_I$ (e)

再将式(c)和(e)代入式(b)得到电池的最大允许充电电流I_c

$I_c={\mathrm{\αQ}}_n(1-{\mathrm{SOC}}_{t_1})$ (f)

本实施例中，如图3所示，只要知道电池的SOC状态，就能查询得到电池的最大允许充电电流，为充电电流的控制奠定了基础；

S4)、查询电池SOC与电池允许的最大充电电流的曲线，得到电池允许的最大充电电流，通过充电电流控制算法，减小电机的制动力矩，使实际充电电流与电池的最大允许充电电流相同；

S4.1)、驱使电机稳定运行；S4.1.1)、如图4所示，当电机起动时，通过采样得到电机三相电流，经过clark、park变换得到旋转坐标系下的励磁电流I_sd和电枢电流I_sq；

S4.1.2)、通过磁通观测器计算磁链幅值，转差，最终计算得到磁场旋转角θ；

a)、计算磁链幅值ψ_r：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{T_{r}p+1}{I}_{sd}$

其中，磁链幅值ψ_r的单位为Wb，T_r为转子时间常数,单位s，L_m为电机定、转子互感,单位H，I_sd为励磁电流,单位A，P为微分算子；

b)、计算转差ω_s：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{I_{sq}{L}_m}{T_r{\mathrm{\ψ}}_r}$

其中，转差ω_s的单位为rad/s，I_sq为电枢电流,单位A；

c)、计算同步转速ω_e：

ω_e＝n_pω+ω_s

其中，同步转速ω_e的单位为rad/s，ω为电机实际转速，单位为rad/s，ω_s为转差，单位为rad/s，n_p为电机极对数；

d)、计算磁场旋转角θ：

θ＝∫ω_eds；

S4.1.3)、由光电编码器获得的电机转速ω，与给定转速ω^*比较，获得的偏差经过速度PI调节器，得到由电流q轴分量决定的转矩参考值；由计算转矩电流方法得到转矩电流Isq.ref；

其中计算转矩电流Isq.ref方法为：

$Isq.ref=\frac{L_r}{n_p{L}_m^2{I}_d^{*}}{T}_e^{*}$

其中，L_r表示转子电感，单位H,n_p为电机极对数,L_m为电机定、转子互感,单位H，为励磁电流参考值，单位为A，为转矩参考值，单位为N·m；

S4.1.4)、转矩电流Isq.ref与电枢电流I_sq偏差经过PI调节器后输出转子同步坐标系下的电压分量U_q；

S4.1.5)、由励磁电流参考值与励磁电流I_sd的偏差经过PI调节器输出为转子同步坐标系下的电压分量U_d；

S4.1.6)、U_d、U_q经过PARK逆变换转换为静止坐标αβ下的电压分量U_α,U_β，通过SVPWM逆变调节，将SVPWM调制信号供给逆变器，用逆变器输出三相电压驱动电机稳定运行；

S4.2)、电机能量回馈制动；

S4.2.1)、当电机制动时，电机运行于发电机状态，采集励磁电流I_sd,电枢电流I_sq；

S4.2.2)、通过I_sd和I_sq计算得到电机输出电流I_s；

$I_s=\sqrt{I_{sd}^2+I_{sq}^2};$

S4.2.3)、将计算得到的电机输出电流I_s与电池的最大允许充电电流做差，通过PI调节得到I_sq期望值的补偿量，对矢量控制的转矩电流Isq.ref进行修正。

图5是电动汽车在能量回馈过程中电池的充电电流情况示意图。

本实施例中，在ADVISOR中建立电动汽车的电池模型，通过建立实际路况来验证，而实际路况则选择ADVISOR中的NYCC工况，具体参数为:行驶时间为598秒，行驶里程为1.9km，最高车速为44.58km/h,平均车速达到11.41km/h，最大加速度为2.68m/m²怠速时间总时间为210秒。通过图5中的三条曲线走向，可以明显看出，使用本发明的电动汽车电池的充电方法使电动汽车能量回馈制动时的充电电流最接近电池的最大允许充电电流。

图6是电动汽车充电电流误差的效果图。

本实施例中，如图6所示的误差分析数据中可以明显看出，使用本发明的充电方法，电动汽车在制动过程中，实际充电电流与电池的最大允许充电电流的误差在正负0.5A以内，超过允许值不到1％；而现有的充电方法，当电池电量达到20％后，实际充电电流与电池的最大允许充电电流的误差最大将会达到2.5A，超过允许值20％，严重影响了电池的安全。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种电动汽车电池的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、通过传感器采集电池输入端的电流、电池充电倍率以及电池的温度；

(2)、根据自适应SOC估计算法，估算出电池的SOC；

(3)建立电池SOC与最大允许充电电流的曲线：

(3.1)、建立荷电状态方程：

$SOC=\frac{Q_c}{Q_n}=1-\frac{Q_i}{Q_n}=1-\frac{{\mathrm{\ηQ}}_I}{Q_n}---\left(a\right)$

其中,Q_n为电池标称容量，单位为Ah；Q_c为电池剩余电量，单位为Ah，是指当前电量状态下，电池以室温25℃、C/30倍率完全放电至放电截止电压所获得的全部电量；Q_i为电池标准已用电量，单位为Ah，数值上等于标称容量与标准剩余电量的差值；Q_I为实际已用电量，单位为Ah，是指电量完全充满的电池以实际工作温度及放电倍率下所放出的电量；η为电池效率系数，包括温度影响系数η_T和充放电倍率系数η_i，它们之间的关系为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{{\mathrm{\η}}_T};$

(3.2)、引入马斯曲线：

I_c＝I₀e^-αt(b)

其中，I_c为电池的最大允许充电电流，单位为A；I₀为t＝0时刻电池的最大允许充电电流，单位为A；α为充电电流的充电接受比，又称固有接受比，单位为1/s，α＝I₀/C，C为电池的额定容量；t为充电时间，单位为s；

(3.3)、建立电荷量与荷电状态的关系：

$Q_I=Q_n(1-{\mathrm{SOC}}_{t_1})---\left(c\right)$

其中，为t₁时刻电池的SOC值；

(3.4)、建立充电电流和还需充入的电量的关系：

$Q_I=\underset{t_1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{I}_{c}dt---\left(d\right)$

(3.5)、得到荷电状态与电池的最大允许充电电流之间的关系

将式(b)代入式(d)得到：

$e^{-{\mathrm{\αt}}_1}=\frac{\mathrm{\α}}{I_0}{Q}_I---\left(e\right)$

再将式(c)和(e)代入式(b)得到电池的最大允许充电电流I_c

$I_c={\mathrm{\αQ}}_n(1-{\mathrm{SOC}}_{t_1})---\left(f\right)$

(4)、通过充电电流控制算法，减小电机的制动力矩，使实际充电电流与电池的最大允许充电电流相同；

(4.1)、驱使电机稳定运行；

(4.1.1)、当电机起动时，通过采样得到电机三相电流，经过clark、park变换得到旋转坐标系下的励磁电流I_sd和电枢电流I_sq；

(4.1.2)、通过磁通观测器计算磁链幅值，转差，最终计算得到磁场旋转角θ；

(4.1.3)、由光电编码器获得的电机转速ω，与给定转速ω^*比较，获得的偏差经过速度PI调节器，得到由电流q轴分量决定的转矩参考值再通过计算转矩电流的方法得到转矩电流Isq.ref；

(4.1.4)、转矩电流Isq.ref与电枢电流I_sq偏差经过PI调节器后输出转子同步坐标系下的电压分量U_q；

(4.1.5)、由励磁电流参考值与励磁电流I_sd的偏差经过PI调节器输出为转子同步坐标系下的电压分量U_d；

(4.1.6)、U_d、U_q经过PARK逆变换转换为静止坐标αβ下的电压分量U_α,U_β，通过SVPWM逆变调节，将SVPWM调制信号供给逆变器，用逆变器输出三相电压驱动电机稳定运行；

(4.2)、电机能量回馈制动；

(4.2.1)、当电机制动时，电机运行于发电机状态，采集励磁电流I_sd,电枢电流I_sq；

(4.2.2)、通过I_sd和I_sq计算得到电机输出电流I_s；

(4.2.3)、将计算得到的电机输出电流I_s与电池的最大允许充电电流做差，通过PI调节得到I_sq期望值的补偿量，对矢量控制的转矩电流Isq.ref进行修正。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电池的充电方法，其特征在于，所述的磁场旋转角θ的计算方法为：

a)、计算磁链幅值ψ_r：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{T_{r}p+1}{I}_{sd}$

其中，磁链幅值ψ_r的单位为Wb，T_r为转子时间常数,单位s，L_m为电机定、转子互感,单位H，I_sd为励磁电流,单位为A，P为微分算子；

b)、计算转差ω_s：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{I_{sq}{L}_m}{T_r{\mathrm{\ψ}}_r}$

其中，转差ω_s的单位为rad/s，I_sq为电枢电流,单位A；

c)、计算同步转速ω_e：

ω_e＝n_pω+ω_s

其中，同步转速ω_e的单位为rad/s，ω为电机实际转速，单位为rad/s，ω_s为转差，单位为rad/s，n_p为电机极对数；

d)、计算磁场旋转角θ：

θ＝∫ω_eds。

3.根据权利要求1所述的电动汽车电池的充电方法，其特征在于，所述的电机输出电流I_s的计算方法为：

$I_s=\sqrt{I_{sd}^2+I_{sq}^2}.$

4.根据权利要求1所述的电动汽车电池的充电方法，其特征在于，所述计算转矩电流Isq.ref的方法为：

$Isq.ref=\frac{L_r}{n_p{L}_m^2{I}_d^{*}}{T}_e^{*}$

其中，L_r表示转子电感，单位H,n_p为电机极对数,L_m为电机定、转子互感,单位H，为励磁电流参考值，单位为A，为转矩参考值，单位为N·m。