鋰電池組剩余電量SOC估算方法的分析與研究

李名莉，邱兵濤，賈琳鵬

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院機電自動化學院，河南 南陽 473000;2.南水北調(diào)中線干線工程建設管理局河南分局,河南 鄭州 450000 )

0 引言

純電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要制約因素是電池技術。電池技術的開發(fā)決定著汽車行業(yè)的發(fā)展，許多國家和企業(yè)對此投入了大量資金。電動汽車在正常工作狀態(tài)時，電池組的溫度、電壓和電流需控制在一定范圍內(nèi)。電池組維護不當會影響鋰電池的使用時限，甚至會引起火災，危及人身安全。因此，加強對電池組的性能、成本、安全性的控制管理至關重要。對電池組控制管理，實則是對電池組的電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)進行研究，行之有效的措施就是延長電池使用壽命[1-3]。

我國在BMS的研究領域處于先進水平，某些技術甚至處于領先地位。在國內(nèi)，有很多機構(gòu)(如高校、電池生產(chǎn)廠、汽車制造廠等)研發(fā)了功能完善的BMS，大多已經(jīng)通過了裝車試驗，部分實現(xiàn)了量產(chǎn)。北京交通大學設計和研發(fā)了多套高性能的BMS，成功應用于北京公交公司、北京奧運電動大巴、北京121示范線等[4]。經(jīng)過不斷的優(yōu)化與改進，BMS從最始的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展為功能齊備的管理系統(tǒng)，但在電池組模型創(chuàng)建、精度、通信網(wǎng)絡優(yōu)化、剩余電量荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)等方面還需進行深入研究[5-7]。

1 剩余電量SOC算法研究

動力電池是電動汽車重要的組成部分，決定著其性能，推動著電動汽車行業(yè)的發(fā)展。電池的荷電狀態(tài)SOC反映了電池的剩余容量。因此，對動力電池SOC估算方法進行研究是非常必要的。

電池的荷電狀態(tài)SOC計算公式為：

(1)

式中：Q0為基準容量，A·h；Q1為電池剩余容量，A·h。

由式(1)可知，電池的荷電狀態(tài)SOC是剩余容量和電池實際容量的比值，為變量。電池的基準容量(即實際容量)會在使用過程中隨著電池壽命的變化而變化，呈現(xiàn)下降趨勢。一般情況下，為了方便計算，電池的基準容量以額定容量計算。

以電池的額定容量作為基準容量計算，雖然簡潔方便、運算量少，但實際應用還存在一些問題。例如，對于剛使用的新電池，其實際容量高于額定容量，

SOC>1；對于工作時限較長的電池，實際容量則低于額定容量，SOC<1[8]。針對這種情況，還有一種方法是把電池組的初始容量看作基準容量。其優(yōu)點是誤差較小，缺點是初始容量每組電池不確定，需要對電池參數(shù)設計，批量生產(chǎn)費時費力，影響效率[8-9]。

若設定電池滿電狀態(tài)時，SOC=1，則：

(2)

式中：Q為電池使用容量。

在實際應用中，初始狀態(tài)不能保證一直處于滿電狀態(tài)，SOC又可表示為：

(3)

式中：Q0為基準容量；QS為初始電量；QU為過程電量。

在式(3)中，只要確定QS和QU兩個變量，就可以計算出SOC。在應用中，除了QS和QU對SOC產(chǎn)生影響外，還存在一些外在因素，如溫度、電池老化、系統(tǒng)測量誤差、電池初始狀態(tài)等。必須綜合考慮這些因素對結(jié)果產(chǎn)生的影響，以減少誤差，取得精確估算值[9-10]。

對剩余電量SOC進行估算的方法有很多，典型的估算方法有放電試驗法、安時積分法、開路電壓法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、卡爾曼濾波法等。幾種典型SOC估算方法對比如表1所示。

表1 幾種典型SOC估算方法對比表

Tab.1 Comparison of several typical estimation methods for SOC

這六種估算方法適用范圍不同，有各自的優(yōu)缺點。從表1中的對比可以看出，安時積分法、開路電壓法在幾種算法中脫穎而出。安時積分法操作簡單、安全可靠、應用普遍，缺點在于依賴初始值，不能把控電池的充放電，會因傳感器的問題造成誤差。開路電壓法使用前提是工作電流為零，這一前提會造成SOC無法準確估測。

分析安時積分法、開路電壓法兩者的優(yōu)勢和弊端，總結(jié)出了一種新的方法，即將兩種方法相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)缺點互補。新方法采用安時積分法對工作狀態(tài)中的電池實時更新SOC值，在電池組不工作階段或是每次啟動電池系統(tǒng)時，用開路電壓法對SOC校準消除電荷累積誤差，解決安時積分法的初始SOC評估問題。在新算法的使用上，引入了參數(shù)電池額定容量百分比的計算，很大程度地提高了估測SOC的精度。

(4)

y=1×10-13x4-8×10-8x3+2×10-5x2-

1.63×10-2x+99.856

(5)

式中：y為電池額定容量百分比；x為循環(huán)充放電次數(shù)；SOCt為電池組在t時刻的荷電狀態(tài)值；SOC0為電池組在初始時刻的荷電狀態(tài)值；QN為未進行循環(huán)時電池組初始總?cè)萘浚籌為充放電電流；t為工作時間。

2 SOC估算的子程序設計

對剩余電量SOC進行估算。先計算出開路電壓值，根據(jù)開路電壓值查開路電壓(open circuit voltage,OCV)-SOC二維表找出其對應的SOC的初始狀態(tài)，利用安時積分法估算。SOC估算程序流程如圖1所示。隨著電動汽車運行時間的增加，外在因素相繼對估算結(jié)果產(chǎn)生影響，致使估算結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，需要加入修正模塊。

圖1 SOC估算程序流程圖

在修正時，同樣根據(jù)開路電壓查OCV-SOC二維表對應SOC估算結(jié)果，和內(nèi)存中存儲值作對比。舍去較大值后，把較小的數(shù)值看作修正值繼續(xù)估算，可獲取精確值。SOC修正程序流程如圖2所示。

圖2 SOC修正程序流程圖

3 電流采集電路的設計

采集電池組電流使用的是基于分流器的電流監(jiān)測方法。在動力鋰電池組中，單體電池數(shù)量多，且工作電流相同，全部串聯(lián)連接后，監(jiān)測電流只需測量串聯(lián)后的總電流。在監(jiān)測電路中串聯(lián)一個小阻值的康銅電阻，作為分流器，并根據(jù)其兩端的壓降值計算出電流值。電流監(jiān)測電路如圖3所示。

圖3 電流監(jiān)測電路

采用上述方法得到的康銅電阻的壓降值非常小，無法進行A/D轉(zhuǎn)換，需要對信號放大，但數(shù)值不能超過5 V。因此，需要添加一個信號放大電路。此外，在電路中還需接入一個5 V的穩(wěn)壓二極管，以防電路出現(xiàn)故障。電流采集電路如圖4所示。

圖4 電流采集電路

4 鋰電池組SOC值的估測

鋰電池組充放電循環(huán)衰減曲線如圖5所示。

圖5 充放電循環(huán)容量衰減曲線圖

在電池放電時，放電次數(shù)大約100次，即x=100。將x=100代入式(5)中，得到的結(jié)果是98%，即電池組額定容量百分比是98%。本次試驗電池額定容量是3 A，試驗得到的電池組初始容量為2.94 A。在試驗中對電流值進行測量，記錄電流數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)代入式(4)中進行運算，得到的電池組電壓、SOC的數(shù)據(jù)曲線。SOC與電壓關系曲線圖如圖6所示。

圖6 SOC與電壓關系曲線圖

進而可以得到SOC和時間曲線如圖7所示。

圖7 SOC與時間關系曲線圖

從圖6中可以看出：在鋰電池組剛開始放電時，電壓下降的幅度較大，直線斜率很大，然后曲線趨于平坦；當SOC達到50%之后，電壓下降趨勢較平穩(wěn)，曲線較光滑；當SOC降到10%后，電壓下降趨勢明顯。此時，需要及時把電路切斷，以免持續(xù)放電損壞電池，影響電池的壽命。

在圖7中可以看出：SOC在100%到20%的區(qū)間內(nèi)，時間持續(xù)很長；在20%到0的區(qū)間內(nèi)時間很短，下降速率很快。

在測量電流時，實際測量值偏小，用安時積分法估算會產(chǎn)生累計誤差。為此，需對A/D轉(zhuǎn)換的電壓值進行算數(shù)運算，使電流的測量值盡可能接近實際電流值。

在電池組額定容量約為4%(即將耗盡)時誤差為最大，平均誤差也僅為2%。因此，通過試驗測試可以驗證SOC估算算法的有效性，說明鋰離子電池剩余電量SOC估算算法可以滿足設計要求。

5 結(jié)束語

本文對純電動汽車的鋰離子電池組剩余電量的SOC估算算法進行了研究，在傳統(tǒng)的安時積分法和開路電壓法的基礎上進行了創(chuàng)新，采用兩者相結(jié)合的方法估算SOC。在電池工作電流為零時或是在電池短暫不工作狀態(tài)，開路電壓法修正安時積分法中的參數(shù)值，實現(xiàn)互補得到更準確的SOC值。在新的估算算法中，引入額定容量百分比作參照量，避免了鋰離子電池的額定容量百分比隨著電池充放電次數(shù)增多而下降的問題，很大程度上提高了估測SOC的精度。同時，設計了電流采集電路，通過試驗測試驗證了SOC的估算算法的有效性。