一种电动汽车动力电池寿命的延长方法

1.本发明涉及汽车工程技术领域，具体为一种电动汽车动力电池寿命的延长方法。


背景技术：

2.车辆在制动过程中回收的能量受到工况的影响，给电池充电的电流大小并不是恒定的，时大时小的充电电流对于电池电极是一个损害，这也是造成电池寿命缩短的原因之一。而超级电容的出现恰好能解决这些问题，超级电容的比功率较大，在电流较大的时候性能也很好，且内部不存在化学反应，其效率较高，寿命较长。这些优点使得超级电容非常适合在大电流频繁充放电的工况下使用。超级电容能够发挥
‘
削峰填谷’的作用，保证流经蓄电池的电流不会过大，使得蓄电池能够充分发挥其性能，同时起到延长电池使用寿命的效果。此外，制动能量回收控制策略的设计对延长电池寿命起着积极作用。本发明从制动能量回收控制策略的制定以及复合电源的制定两方面共同延长电池寿命。
3.1)制动能量回收控制技术
4.理想制动能量回收控制策略，此时汽车前后轮同时抱死，这种情况属于稳定工况，并且前、后轮同时抱死，可以最大限度的利用地面制动力，保证制动稳定性。与此同时，还能回收部分能量，避免发生侧滑；
5.并行制动力分配策略，是在传统汽车单一直线制动分配策略基础上加入再生制动来实现机械制动和电机制动的并行制动方式；
6.最佳制动力分配控制策略，在前、后轴制动力之和满足总制动力需求和不发生前后轴抱死的前提下，尽量采用电机制动，达到最大程度的回收制动能量的目的。
7.2)复合电源控制技术
8.常见的控制策略有两种，分别是基于规则的控制策略和基于模糊的控制策略，这两种策略的基本思想是一致的，但是模糊控制策略在复合电源工作区间内，其各参数状态的过渡会更加平滑，同时可以对于一些规则外的情况也有更好地适应性。
9.目前的控制策略还存在有以下的问题：
10.(1)于理想制动曲线的制动能量回收控制策略，需要精确测量前后轴法向作用力，制动系统结构复杂，回收能量一般。
11.(2)并行制动力分配策略驾驶员的感觉和回收制动效果将受到影响。
12.(3)最佳制动力分配控制策略，有考虑制动效能，而且控制系统结构复杂，可操作性不强，需要通过对制动强度和附着系数比较后选择不同的分配方法，同时要实时精确控制电机再生制动力和机械摩擦制动力，所以此种分配策略仅仅具有理论研究价值，而没有实用价值。
13.(4)基于规则的控制策略在复合电源工作区间内，参数的过度较为突兀，对于规则外的情况适应性较差。
14.基于此，本发明设计了一种电动汽车动力电池寿命的延长方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

15.目前，动力电池技术未得到突破性进展，导致了电动汽车续航里程短等一系列问题，制动能量回收技术能够很好地缓解这一问题。但汽车在制动能量回收过程中，动力电池的充放电电流受到行驶工况的影响，容易出现过度充电、过度放电的现象，并且电流的大小并不是恒定的，这极易对电池寿命造成影响。因此本发明引入超级电容组成复合电源，不仅可以有效延长电池寿命，还可以提高制动能量回收率。
16.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电动汽车动力电池寿命的延长方法，具体步骤如下：
17.步骤s1：根据汽车结构参数、理想制动力分配曲线、ece法规曲线、f曲线确定前后轮制动力分配范围；
18.步骤s2：根据动力电池soc不同时其阻抗谱频率变化趋势，将动力电池soc划分为三个区间；
19.步骤s3：计算最优制动强度点，根据划分的区间设计前后轮制动力分配曲线，再生制动模糊控制器；
20.步骤s4：制定基于双模糊控制器的复合电源系统控制策略；
21.步骤s5：根据电池寿命模型计算电池容量衰减。
22.再进一步的方案中，在步骤s1中，理想制动曲线的表达式为
[0023][0024]
式中g为汽车重力，hg为质心高度，b为质心到后轴中心线距离，l为轴距，f
bf
为前轮制动力，f
br
为后轮制动力；
[0025]
ece法规曲线表达式为
[0026][0027]
式中m为汽车质量；f曲线的表达式为式中为路面附着系数。
[0028]
再进一步的方案中，在步骤s2中，将动力电池soc划分为[0,0.1]、(0.1,0.9)、[0.9,1]三个区间。
[0029]
再进一步的方案中，在步骤s3中，所述最优制动强度点是由表达式得到的；式中为前轮利用附着系数公式，由确定，式中β为优化目标量，z为制动强度，为后轮利用附着系数公式，由确定。
[0030]
再进一步的方案中，在步骤s3中，所述前后轮制动力分配曲线是针对soc处于(0.1,0.9)设计的；当0《z≤0.1时制动力分配沿坐标轴分配，当0.1《z≤0.4426时制动力分
配是由方程式f
br
＝0.094f
bf-105.38确定，当0.4426《z≤0.7时制动力分配曲线由方程式f
br
＝1.6f
bf-7081.312确定，当z》0.7时，制动力分配是由曲线确定。
[0031]
再进一步的方案中，在步骤s3中，所述前后轮制动力分配曲线是针对soc处于[0,0.1]设计的；它是由方程式确定的。
[0032]
再进一步的方案中，在步骤s3中，所述再生制的模糊控制器是以制动强度z、车速v、soc为输入条件，再生制动比例系数k为输出条件。
[0033]
再进一步的方案中，在步骤s4中，所述基于双模糊控制器的复合电源系统控制策略是基于matlab/simulink在advisor中二次开发的，其中充电部分的模糊控制器以蓄电池soc、超级电容soc2为输入条件，超级电容输出比例为输出条件，放电部分的模糊控制器以需求功率preq、蓄电池soc、超级电容soc2为输入条件，超级电容输出比例为输出条件。
[0034]
再进一步的方案中，在步骤s5中，所述电池寿命模型是由方程式q
loss
＝1.014(q
loss,％,cyc
+q
loss,％,calendar
)+0.5696确定，式中q
loss,％,cyc
为循环寿命模型，由q
loss,％,cyc
＝(8.6
×
10-6
t2+-5.13
×
10-3
t+7.63
×
10-1
)exp[(-6.7
×
10-3
t+2.35)i
rate
]确定；q
loss,％,calendar
为日历寿命模型，由q
loss,％,calendar
＝8.83
×
104exp[-3.27
×
104/(8.31
×
t)]t
0.535
确定。
[0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明并没有过度追求制动能量回收率，而是考虑制动工况时回收的充电电流对电池寿命的影响，根据电池阻抗谱频率变化将动力电池soc划分三个区间，针对三个区间设计考虑电池寿命的制动力分配方案，以实现电池寿命的延长。
[0036]
以前驱型纯电动汽车为例，已知整车质量1144kg，质心高度0.5m，轴距2.6m，质心到后轴距离1.56m，质心到前轴距离1.04m，滚动阻力系数0.009，风阻系数0.335，迎风面积2m^2，旋转质量换算系数1.05，车轮半径0.282m。
[0037]
基于电池处于不同soc时，充放电电流对电池电极造成的损失存在差异，根据电池不同soc阻抗谱频率不同，将soc划分为[0,0.1]、(0.1,0.9)、[0.9,1]三个区间。针对soc处于[0,0.1]采用理想制动力分配方案，针对soc处于(0.1,0.9)采用本发明提出的制动力分配方案，针对soc处于[0.9,1]关闭再生制动。基于matlab/simulink进行建模仿真，并嵌入advisor仿真软件中。基于udds循环工况，本发明能够回收47.2％的制动能量，并且可以延长13.8％的电池寿命。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为前后轮制动力分配范围图；
[0040]
图2为不同soc下的阻抗谱图；
[0041]
图3为前后轮制动力分配曲线图；
[0042]
图4为理想制动分配曲线图；
[0043]
图5为复合电源系统控制策略图。
具体实施方式
[0044]
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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明提供一种技术方案：
[0046]
一种电动汽车动力电池寿命的延长方法，具体步骤如下：
[0047]
步骤s1：根据汽车结构参数、理想制动力分配曲线、ece法规曲线、f曲线确定前后轮制动力分配范围；
[0048]
步骤s2：基于动力电池soc处于不同程度时，充电电流的大小对其电极材料造成的损伤程度也存在差异，进而影响电池的使用寿命，根据动力电池soc不同时其阻抗谱频率变化趋势，将动力电池soc划分为三个区间；
[0049]
步骤s3：计算最优制动强度点，根据划分的区间设计前后轮制动力分配曲线，再生制动模糊控制器；
[0050]
步骤s4：制定基于双模糊控制器的复合电源系统控制策略；
[0051]
步骤s5：根据电池寿命模型计算电池容量衰减。
[0052]
其中，在步骤s1中，所述前后轮制动力分配范围是由理想制动曲线、ece法规曲线、f曲线、横坐标确定，如图1。理想制动曲线的表达式为式中g为汽车重力，hg为质心高度，b为质心到后轴中心线距离，l为轴距，f
bf
为前轮制动力，f
br
为后轮制动力；ece法规曲线表达式为式中m为汽车质量；f曲线的表达式为式中为路面附着系数。
[0053]
其中，在步骤s2中，基于动力电池soc处于不同程度时，充电电流的大小对其电极材料造成的损伤程度也存在差异，进而影响电池的使用寿命，根据动力电池soc不同时其阻抗频谱率也存在对应差异的特征如图2，考虑到汽车制动能量回收典型工况制动力分配对充电电流的影响，将动力电池soc划分为[0,0.1]、(0.1,0.9)、[0.9,1]三个区间。
[0054]
其中，在步骤s3中，所述最优制动强度点是，当制动强度与地面附着系数接近时可充分发挥地面附着条件，提高汽车制动性能。它是由表达式得到
的；式中为前轮利用附着系数公式，由确定，式中β为优化目标量，z为制动强度，为后轮利用附着系数公式，由确定。
[0055]
其中，在步骤s3中，所述前后轮制动力分配曲线如图3，o-a-b-c-d所示，是针对soc处于(0.1,0.9)设计的。当0《z≤0.1时制动力分配沿坐标轴分配，当0.1《z≤0.4426时制动力分配是由方程式f
br
＝0.094f
bf-105.38确定，当0.4426《z≤0.7时制动力分配曲线由方程式f
br
＝1.6f
bf-7081.312确定，当z》0.7时，制动力分配是由曲线确定。
[0056]
其中，在步骤s3中，所述前后轮制动力分配曲线如图4，是针对soc处于[0,0.1]设计的。它是由方程式确定的。
[0057]
其中，在步骤s3中，所述再生制的模糊控制器是以制动强度z、车速v、soc为输入条件，再生制动比例系数k为输出条件。
[0058]
其中，在步骤s4中，所述基于双模糊控制器的复合电源系统控制策略如图5，是基于matlab/simulink在advisor中二次开发的，其中充电部分的模糊控制器以蓄电池soc、超级电容soc2为输入条件，超级电容输出比例为输出条件，放电部分的模糊控制器以需求功率preq、蓄电池soc、超级电容soc2为输入条件，超级电容输出比例为输出条件。
[0059]
其中，在步骤s5中，所述电池寿命模型是由方程式q
loss
＝1.014(q
loss,％,cyc
+q
loss,％,calendar
)+0.5696确定，式中q
loss,％,cyc
为循环寿命模型，由q
loss,％,cyc
＝(8.6
×
10-6
t2+-5.13
×
10-3
t+7.63
×
10-1
)exp[(-6.7
×
10-3
t+2.35)i
rate
]确定；q
loss,％,calendar
为日历寿命模型，由q
loss,％,calendar
＝8.83
×
104exp[-3.27
×
104/(8.31
×
t)]t
0.535
确定。
[0060]
本发明并没有过度追求制动能量回收率，而是考虑制动工况时回收的充电电流对电池寿命的影响，根据电池阻抗谱频率变化将动力电池soc划分三个区间，针对三个区间设计考虑电池寿命的制动力分配方案，以实现电池寿命的延长。
[0061]
以前驱型纯电动汽车为例，已知整车质量1144kg，质心高度0.5m，轴距2.6m，质心到后轴距离1.56m，质心到前轴距离1.04m，滚动阻力系数0.009，风阻系数0.335，迎风面积2m^2，旋转质量换算系数1.05，车轮半径0.282m。
[0062]
基于电池处于不同soc时，充放电电流对电池电极造成的损失存在差异，根据电池不同soc阻抗谱频率不同，将soc划分为[0,0.1]、(0.1,0.9)、[0.9,1]三个区间。针对soc处于[0,0.1]采用理想制动力分配方案，针对soc处于(0.1,0.9)采用本发明提出的制动力分配方案，针对soc处于[0.9,1]关闭再生制动。基于matlab/simulink进行建模仿真，并嵌入advisor仿真软件中。基于udds循环工况，本发明能够回收47.2％的制动能量，并且可以延长13.8％的电池寿命。
[0063]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施
例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。