深度分析国标SOC精度验证方法,电池管理系统技术条件是时候修改了!

林健

大家都知道电池管理系统(BMS)的核心是上层应用算法,算法的核心是SOC估算。所以,国标QC/T897-2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》自然要着重描述荷电状态(SOC)的精度测试。这可以从其总共13页的的文件中有长达6页是与SOC精度有关的中可以看出。国标对SOC估算精度的要求是误差要不大于10%。不过,国标给出的验证方法存在以下问题:

1、国标只要求测试2个点的SOC精度

国标中提出,只要在SOC大于80%和小于30%的区域各找一个点测试。我认为这是远远不够的。难道2个点精确就能够保证所有工作点都满足要求了,显然不是。

我在为美国BIG 3写验证方法设计验证计划和报告(Design Verification Plan & Report,简称:DVP&R)时,要求SOC从100%到截止电压(SOC大约只有1-3%)都要验证,即使是对于SOC 工作范围比较窄的混合动力汽车(HEV)也不例外。这是因为在意外情况下,SOC是有可能偏出正常工作范围。万一SOC不在工作范围内了,也不容许失控。

记得在做沃蓝达BMS仿真验证时,对于每个点都要做SOC的反向推算,找出从头到尾哪一个点(所有误差超过2.5%的点)的SOC误差最大,并且要分析为什么这个点的SOC比较大。

2、工况的选择

国标给出了4个工况,并称其为“典型”充放电工况,这几个工况如下图所示:

深度分析SOC精度验证方法,电池管理系统技术国标是时候修改了!

深度分析SOC精度验证方法,电池管理系统技术国标是时候修改了!

显然,这几个工况没有一个接近实际工况。因为实际工况的电流看起来像是噪声,不可能是直线,所以这些工况不够“典型”。

其次,国标给的时间最长的两个工况,一个是80秒,一个是90秒。国标说,任意选一个工况,连续循环10次,来检查SOC。连续循环10次有多长?最长的一个工况只有90秒,循环10次是900秒,也只有15分钟。而在这15分钟SOC只变化了不到10%,这说明什么问题?假设电流传感器在工况测试过程中坏了,测量永远都是零,BMS都可以通过国标SOC的精度要求。因为你算出来的SOC不变。虽然不对,但是误差肯定小于10%。所以国标给的工况来验证SOC精度,完全没有意义。

在通用汽车(GM)做沃蓝达的时候,我们选择用于验证的工况都是实际采集的工况。尤其是那些安时积分计算出的SOC和实时在线估算的SOC有明显不同的工况。在克莱斯勒,由于样车都还没有,就谈不上实际工况。我们是拿其他车的工况进行适当的放大以模拟最差情况。

也许,有人会说,这不是某个特定车的工况,不符合实际。但是,一个算法,要能够在任何情况下都能够正常工作,在任何理论上存在的工况下,也必须能够正常工作。

我当时给了供应商5个工况,3个典型工况,2个放大了的工况。比如,将US06工况的功率乘以1.8并加以适当限流(US06工况试验是考察测试样车在高速度、高加速度情况下的排放情况)。当时,世界上没有一个BMS供应商能够在精度方面能够达到克莱斯勒的要求。后来,有人告诉我,有人在美国汽车工程师学会(SAE)报告,US06x1.8可以包含95%以上最激烈(aggressive)的工况。后来,我在国内一家公司工作时,这家公司的德国分公司的BMS软件主管特意从德国来浙江问我,我的SOC算法对于大电流和小电流是不是一样的。

可见,大电流的SOC在线估算的确不容易。国标也应该参照克莱斯勒的模式。在没有足够工况的情况下,适当放大典型工况。当然,不一定要像我一样要用那样激烈的工况。

3、国标SOC精度的验证方法

国标说工况实验做完以后“静置10分钟”,然后放电到0。最后计算SOC真值。静置10分钟的目的是什么?在我看来没有意义。因为在这10分钟里,如果说有被测量的量在变,那就是端电压。可是,电压在这个验证方法里,压根就不用。如果想得到电池的真正的开路电压(OCV),10分钟的静置时间好像又太短了。尤其是对磷酸铁锂电池,这反映出国标似乎有点不知所措。

其次,对于精度验证方法,国标要求要把电量全部放光来验证,这当然是一个方法,但是这个方法没有任何实际意义,因为在路上不可能把电放光。所以,在路上开车,是无法知道误差是有多大的,因为你不敢在路上把电放光来检查SOC的精度。

目前,国内几乎所有的SOC都是用安时积分法。安时积分法需要知道SOC的起点。这个起点一般是通过开路电压(OCV)得到。然而,国标从头到尾都没有提及OCV以及它与SOC的关系。这个关系是整个BMS关系中最最重要的关系。国标怎么会压根就不提呢?

作为BMS的核心,除了SOC以外,还有最大充放电功率预测(SOP)和健康状态(SOH)。国标没有提也许是因为国内目前还很好解决方法。最近看到一些专家在提用大数据的方法来解决SOH。其实,我们在沃蓝达上就可以做到实时在线估算了。那时候大数据这个时髦的词还没有发明呢。大数据好是好,但不一定放在哪里都好用。

为什么需要用SOP?SOP有两个作用,第一个限制功率,保护电池。使电池永远工作在给定的工作区间。所以保护电池不是靠所谓的一级防护、二级防护。而是靠SOP。防护是必不可少的。但是,在正常情况下是备而不用的。第二个,充分发挥电池的潜力,比方说很多国产的车,BMS为了保护电池,明明电池可以输出50千瓦,你只让它输出40千瓦,是保护了电池,可是牺牲了10千瓦,这10千瓦对于你的动力性能来说可能就是很重要的。

充电也是一样,假如说当你刹车的时候,能量回收的时候,它可以吸收50千瓦的功率,你只让吸收40千瓦的功率,你的效率就要降低,所以精确的SOP也是很重要的。尤其是当电池老化或者低温以及输出功率有限的混合动力的情况下,SOP就显得特别重要。为什么国外的混合动力油耗低,除了可以选择专用发动机以外,还可以选择容量更小的发动机来达到同样的动力性能。这其中就有SOP的功劳。我们有些专家和院士常常提到要发展混合动力包括增程式。这些提法都没错。但是,没有过硬的核心技术,即使是世界产量第一,也没有人在意。只能是自娱自乐。

深度分析SOC精度验证方法,电池管理系统技术国标是时候修改了!

现在是到了修改国标的时候了。如果继续靠这样的国标,我们的BMS水平,没有办法提高。生产的车再多,国家给的补贴再多,那也只是低水平的重复。大家现在做BMS做都做不赢,做一个卖一个,根本不需要提高水平,而且都可以自豪地说我们的BMS的SOC精度完全可以达到国际标准。这样下去,弯道超车永远都只是一个梦。

作者是国家千人计划特聘专家,曾供职于福特、通用和克莱斯勒,曾主导通用沃蓝达、克莱斯勒两款PHEV和菲亚特500e的BMS开发和量产。

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