電動汽車SOC估算方法的設(shè)計策略研究簡述

葉明　陳賓　朱紅　奚杰　曾祥兵

摘 要：SOC是電動汽車運(yùn)行過程中非常重要的參數(shù)。不僅可以給終端使用者提供產(chǎn)品續(xù)航工作的里程參考；也可以作為電池充放電保護(hù)設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。人們利用電池的電壓、內(nèi)阻、充放電時間以及容量等參數(shù)之間的變化規(guī)律推算出電池的工作狀態(tài)。為了更好的監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，電池剩余容量SOC成為表征電池工作狀態(tài)的重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SOC；不同溫度放電容量；OCV；安時積分

1 引言

近年來，我國的新能源汽車飛速發(fā)展，動力電池作為電動汽車的核心。對于其技術(shù)要求的提高也日益增加。而動力電池的SOC顯示則是動力電池管理工作的關(guān)鍵內(nèi)容。電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)涉及電流大小、反應(yīng)時間、電壓、溫度以及內(nèi)阻等多種因素的影響，是一種非常復(fù)雜的非線性關(guān)系[1]。因此準(zhǔn)確的SOC估計已成為電動汽車發(fā)展中亟待解決的問題。本文主要從電池參數(shù)的選取到軟件策略的優(yōu)化，提供了一種高效、準(zhǔn)確的安時積分法用于電動汽車的SOC估算。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗對象

三元鋰離子電芯、電池系統(tǒng)。電芯容量為100Ah，充電最高電壓保護(hù)值為4.25V，充電最低電壓保護(hù)值為2.8V；電池系統(tǒng)工作溫度：-20～55℃。

實驗設(shè)備：高低溫交變濕熱試驗箱（漢克），型號：ATH-F2-80；安捷倫五位半萬用表；型號：TW48080332；

迅湃充放電設(shè)備，型號：EVBT-500-300-2ISO。

2.2 實驗方法

2.2.1 可用容量測試

隨機(jī)選取兩支量產(chǎn)電芯測試不同溫度不同倍率下放電容量（-20～55℃，每5℃為間隔選取溫度點進(jìn)行測試；0.5C/0.33C/1C）

2.2.2 不同溫度SOC～OCV測試：

①常溫0.33C CC CV to 4.25V；指定溫度擱置3h；

②0.33C放電至3.0V，0.2C放電至2.8V，得放電容量C1；

③C1 20等分，指定溫度下0.33C放電0.05C1，靜置2h，得該溫度該SOC下OCV；

2.2.3 電池系統(tǒng)SOC精度估算

參考行標(biāo)《QCT 897-2011 電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》進(jìn)行試驗

3 結(jié)果與分析

3.1 可用容量測試

由圖1可知，電芯在下線時，容量存在一定的分布。雖然我們隨機(jī)選取兩支電芯進(jìn)行容量測試，取平均值作為可用容量。但是很難保證選取的樣品代表所有出貨批次的特性，且電池在循環(huán)過程中會存在不可逆的容量衰減，這樣在循環(huán)后期SOC會越來越不準(zhǔn)，終端客戶在使用后期會感覺續(xù)航虛標(biāo)（SOC跳變等現(xiàn)象）。

Ah積分法是最常用的SOC估計方法。如果充放電起始狀態(tài)記為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC為SOC=SOC0-∫t0ηIDτ其中，Cn為電池額定容量，I為電池電量，η為充放電效率。

由于可用容量作為安時積分的分母，分母變大可能出現(xiàn)續(xù)航跳變，分母變小影響較小。且我們也是通過測電芯的容量來替代pack的容量。所以為了減小誤差及提高用戶體驗，在前期輸入可用容量，將每個溫度下電芯的容量減小1～2Ah作為安時積分分母的可用容量。

3.2 不同溫度SOC～OCV測試

通過實驗發(fā)現(xiàn)，電動汽車NEDC工況放電的電量和電池系統(tǒng)臺架測試0.33C放電電量相當(dāng)。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)電動汽車日常使用。我們選用0.33C充放電進(jìn)行容量標(biāo)定。

由圖2可以看出，電池在低SOC下內(nèi)阻較大，如果以較大的電流進(jìn)行放電，會出現(xiàn)電壓驟降，容量放不出等情況。所以為了更加準(zhǔn)確的反應(yīng)放電容量，在低SOC時換成小電流來進(jìn)行容量標(biāo)定。

3.3 電池系統(tǒng)SOC精度估算軟件策略

當(dāng)前一般SOC估算方法采用的是某一溫度下放電容量作為安時積分分母定值，在充放電過程中分母保持不變。由于電池在充放電電池存在溫升，在充電/放電一段時間后分母容量實際已發(fā)生變化（變大）；而選取的分母還是較低溫度下的可用容量，這樣會直觀的表現(xiàn)SOC不準(zhǔn)，續(xù)航不準(zhǔn)[2]。

為了克服這一現(xiàn)象，我們基于測試數(shù)據(jù)優(yōu)化了軟件策略。安時積分采用動態(tài)分母，即在某一溫度下整車在使用時通過BMS采集某一時刻電流作為判斷條件。若采集的電流在某一段時間內(nèi)接近某個倍率（0.33C/0.5C/1C），則選擇該倍率下的容量作為分母。

4 試驗臺架驗證

參考行標(biāo)《QCT 897-2011 電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》進(jìn)行-10℃，25℃，45℃試驗驗證；

為更準(zhǔn)確的反應(yīng)SOC準(zhǔn)確性，-10℃、25℃可用容量Q0測試時候，選用該溫度下可用容量的倍率進(jìn)行放電。

45℃容量測試時，由于電池存在溫升，可能會超過電池使用上限55℃。為避免這一因素的影響，且為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)整車使用情況，在該溫度下我們選取整車放電功率作為45℃下放電電流來進(jìn)行求取Q0 。

如下表1為不同溫度下實驗結(jié)果，均滿足≤5%的精度誤差。

5 結(jié)語

準(zhǔn)確估算電池剩余電量，一方面，從充分發(fā)揮電池能力和提高安全性對電池進(jìn)行精確、高效管理；另一方面，新能源汽車電池在使用過程中工況的不可確定性從而表現(xiàn)的高度非線性，使準(zhǔn)確估計SOC具有很大難度。兩方面的綜合因素考慮，使得電動汽車電池SOC估算方法的選擇甚為重要。

目前，國內(nèi)各新能源主機(jī)廠大部分均采用安時積分進(jìn)行SOC估算。我們從電芯參數(shù)到軟件策略分步考慮設(shè)計，從源頭電性能參數(shù)上減小誤差，再到策略的優(yōu)化；同時在整車上下電的過程中通過如圖3提供的SOC～OCV曲線進(jìn)行修正。提供了一種精確的SOC估算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李革臣，江海，王海英.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磷酸鐵鋰電池SOC預(yù)測研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2007，21（5）：405-409.

[2]李哲，盧蘭光，歐陽明高.提高安時積分估算電池SOC精度的方法比較[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，50（8）：1293-1296.