鋰電池SOC估算方法的研究

王波(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400050)

鋰電池SOC估算方法的研究

王波
(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400050)

安時(shí)積分法是電池管理系統(tǒng)比較常用的一種方法，但是電池受初始荷電狀態(tài)(SOC)、使用環(huán)境溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等影響較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定各種因素對(duì)電池SOC的影響，建立影響電池SOC的數(shù)學(xué)模型；經(jīng)過(guò)與實(shí)際的充放電數(shù)據(jù)比較得到實(shí)際SOC誤差低于5％，滿足煤礦井下對(duì)大容量鋰電池管理系統(tǒng)SOC估算的要求。

鋰電池；電池管理系統(tǒng)；SOC估算方法

國(guó)家對(duì)煤礦井下移動(dòng)式救生艙和避難硐室建設(shè)非常重視，要求建設(shè)數(shù)量大。作為其必備的配套設(shè)施，大容量應(yīng)急后備電源會(huì)有很大的市場(chǎng)需求。研究一種適合煤礦井下移動(dòng)式救生艙和避難硐室用的大容量應(yīng)急后備電源，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

如何使電源長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮功效呢？這要求電池管理系統(tǒng)(BMS)不僅能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池組的電池單體的信息，而且還要能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)電池組的剩余電量[1]，因此估算電池組的荷電狀態(tài)(SOC)極其重要。

1 鋰電池SOC估算方法

電池的SOC值是電池管理系統(tǒng)控制策略的重要參數(shù)，實(shí)時(shí)了解電池能量的關(guān)鍵指標(biāo)。目前常用的安時(shí)積分法估算電池SOC的算法公式[2]為：

式中：SOC0為初始荷電狀態(tài)；C為電池可用容量；η為充放電效率；I在放電時(shí)為正，在充電時(shí)為負(fù)。SOC0通過(guò)開(kāi)路電壓法得到，充放電效率η為電池廠家提供數(shù)據(jù)，電流I通過(guò)電流傳感器檢測(cè)得到；電池可用容量C取電池的額定容量。

但是電池的可用容量是變化的，其受環(huán)境溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，不能簡(jiǎn)單利用額定容量來(lái)代替。其電池可用容量表示為：

式中：CA為電池的額定容量；CT為容量受溫度影響的修正值；CN為容量受循環(huán)充放電次數(shù)影響的修正值。

2 鋰電池SOC估算方法的修正研究

本文采用電池SOC估算方法是初始階段使用開(kāi)路電壓法，然后用安時(shí)法和修正容量相結(jié)合的方法。本文的算法公式為：

2.1電池的SOC與電池電壓的關(guān)系

首先對(duì)60 Ah電池組以0.1C電流進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，獲取電池的SOC與單體電池電壓 (以下都以電池組平均電壓作為研究對(duì)象)間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

電池實(shí)際可以在線測(cè)量到的電壓是電池兩個(gè)極柱上的外電壓(UO)。電池的外電壓等于電池的開(kāi)路電壓(OCV)加上電池的歐姆壓降(UR)以及電池的極化電壓[3](UP)。當(dāng)電池充放電電流為0并且靜置足夠長(zhǎng)的時(shí)間之后,電池的UR和UP都為0，那么電池的開(kāi)路電壓OCV就等于電池的端電壓UO。但是根據(jù)電池電壓-SOC曲線也不能準(zhǔn)確修正LiFePO4電池SOC。LiFePO4電池的OCV曲線比較平坦，特別是SOC為10％～90％區(qū)間。

因此單純用開(kāi)路電壓法對(duì)其SOC進(jìn)行估算比較困難，只能作為BMS開(kāi)機(jī)時(shí)SOC0的估算。

圖1　電池SOC與電池電壓的關(guān)系曲線

2.2SOC0對(duì)電池SOC預(yù)測(cè)誤差的影響

通過(guò)對(duì)電池SOC算法的分析可知，電池初始荷電狀態(tài)SOC0的確定對(duì)SOC的估算有直接影響，下面討論電池SOC0與電池SOC的關(guān)系。

(1)實(shí)驗(yàn)方法

首先對(duì)電池組進(jìn)行0.1C恒流放電，模擬電源在負(fù)載情況下的工作情況。電池在不同的SOC0估算情況下得到的電池SOC關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　電池在不同初始SOC0下的SOC曲線

(2)實(shí)驗(yàn)分析

不同SOC0下電池的SOC估算值相差較遠(yuǎn)，且不同SOC0下的SOC曲線趨于平行，這說(shuō)明SOC0對(duì)于電池SOC估算誤差的影響十分顯著，同時(shí)其他影響SOC的因素在整個(gè)放電區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出，鋰電池的OCV-SOC曲線在各段的線性度較好，可以將電池的開(kāi)路電壓分成N個(gè)階段來(lái)判斷電池SOC0值，其中N越大SOC0判斷更加準(zhǔn)確。如果以12個(gè)階段為例，將圖1按照這種方式，電壓可分為12個(gè)階段，得到表1。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，管理系統(tǒng)需要重新計(jì)算SOC0時(shí)，只需檢測(cè)電池開(kāi)路電壓，然后查表1就能得到當(dāng)前SOC0。

2.3環(huán)境溫度與電池SOC的關(guān)系

電池的總?cè)萘亢秃芏嘁蛩赜嘘P(guān)，其中比較重要的有以下3個(gè)：環(huán)境溫度，電池的循環(huán)次數(shù)(或認(rèn)為是電池的SOH)，電池的平均放電電流[4]。

(1)實(shí)驗(yàn)方法

在室溫條件下，將電池組以0.1C恒流充電60 Ah停止充電，靜置1 h后，再將電池組放進(jìn)高低溫箱，設(shè)定工作溫度60℃，進(jìn)行放電，記錄數(shù)據(jù)；取出電池組以上述方法再將電池組充電。按照上述方法重復(fù)將同一電池組分別置于-40、-20、0、20、40℃的工作溫度下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，得到電池SOC與環(huán)境溫度的關(guān)系，如圖3所示。

??????????????????? ?? 　U/V 　SOC/％ 1 　U＆lt;2.900 　0 2 　2.900?U?3.230 　5 3 　3.230?U?3.280 　15 4 　3.280?U?3.318 　25 5 　3.318?U?3.323 　35 6 　3.323?U?3.330 　45 7 　3.330?U?3.341 　55 8 　3.341?U 9 　3.356?U 10 　3.358?U 11 　3.366?U 12 　3.400?U

圖3　　電池的總?cè)萘颗c環(huán)境溫度的關(guān)系

(2)實(shí)驗(yàn)分析

低溫下電池容量衰減得極快，容量隨著溫度升高而增長(zhǎng)，其速率相對(duì)低溫下較慢。－40℃時(shí)，電池的容量?jī)H為標(biāo)稱值的1/3，而在0～40℃，電池的容量從標(biāo)稱容量的82％升至接近99％。所以磷酸鐵鋰電池最佳工作溫度區(qū)間為0～40℃。在BMS中檢測(cè)電池工作溫度，計(jì)算SOC時(shí)，必須修正電池的總?cè)萘?，保證SOC估算的精確度。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將電池隨環(huán)境溫度分N個(gè)階段來(lái)判斷電池容量修正值CT，N越大則CT判斷更加準(zhǔn)確，將溫度分為7個(gè)階段，得到表2。

2.4電池循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系

???????????????????? ?? 　????/? 　C/Ah 1 ?。t;60 　0.0 2 　4??＆lt;60 　0.5 3 　20?＆lt;40 　0.6 4 　0?＆lt;20 　0.8 5 　?20?＆lt;0 　5.0 6 　?40?＆lt;?20 　15.0 7 ?。t;?40 　38.0

電池的老化主要考慮電池的容量衰退和電池內(nèi)阻的增加，電池老化后的SOC的修正對(duì)于完善BMS的管理和延長(zhǎng)成組電池的壽命具有重要意義。

(1)實(shí)驗(yàn)方法

在室溫環(huán)境下，將同一組電池以0.1C恒流充電至60 Ah，靜置1 h后再對(duì)該電池組以0.1C恒流放電至放電結(jié)束，記錄放電安時(shí)數(shù)。重復(fù)上述步驟200次，整理、計(jì)算上述數(shù)據(jù)得到充放電循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4　充放電循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系

(2)實(shí)驗(yàn)分析

由于電池反應(yīng)的是電池內(nèi)部電化學(xué)的特性，通常規(guī)定電池容量低于額定容量的80％則認(rèn)為電池壽命終止。200次循環(huán)后，被測(cè)試電池的容量保持能力有所下降，電流接受能力降低，極化電壓增大，壽命下降。由于完成一次充放電時(shí)間較長(zhǎng)，目前只進(jìn)行了200次充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，但是容量隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)增加而減少的趨勢(shì)比較明顯。循環(huán)200次后容量衰減到額定容量的95％。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)容量隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加而減少的趨勢(shì)，必須對(duì)容量進(jìn)行修正，容量修正公式為：

將記錄的數(shù)據(jù)按照修正值計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到表3，BMS記錄充放電循環(huán)次數(shù)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加至表3所示的次數(shù)時(shí)修正CN。

???????????C???? 　0 　50 　100 　150 　200 C

2.5電池SOC估算算法檢測(cè)誤差

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)，分析各個(gè)因素對(duì)電池SOC的影響，得到電池SOC的估算方法如式(3)所示。將該算法加入BMS。以下是對(duì)采用該算法的電池SOC檢測(cè)誤差的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

(1)實(shí)驗(yàn)方法

在室溫環(huán)境下，將同一組電池以0.1C充電至60 Ah停止充電，靜置1 h后，再以0.1C放電60 Ah結(jié)束，最后將BMS數(shù)據(jù)與外接檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5　電池SOC檢測(cè)誤差

(2)實(shí)驗(yàn)分析

電池SOC檢測(cè)誤差=(真實(shí)值－檢測(cè)值)/額定容量100％，通過(guò)對(duì)整個(gè)充放電過(guò)程數(shù)據(jù)的分析，取檢測(cè)值與真實(shí)值差異比較大的時(shí)刻，得到表4。

1 　5 　3.90 　1.82 　10 　8.40 　2.7 ?????????????? ?? ???/Ah ???/Ah SOC????/％3 　5 5 　52 . 8 0 　3 .7 5 　1 0 　8 . 1 0 　3 .2 4 　6 0 　5 7 . 6 0 　4 .0 6 　0 　2 . 5 8 　4 .3

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電池SOC檢測(cè)值總是低于真實(shí)值，最大誤差通常出現(xiàn)在充放電循環(huán)的開(kāi)始和結(jié)束處，且電池SOC檢測(cè)誤差＆lt;5％。

3 結(jié)論

該算法實(shí)用性較強(qiáng)、易于嵌入式編程實(shí)現(xiàn)，且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電池SOC檢測(cè)誤差滿足煤礦井下大容量鋰電池管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，目前已應(yīng)用在松藻、云家?guī)X等地煤礦避難硐室后備電源電池管理系統(tǒng)之中，后備電源實(shí)際運(yùn)行狀況良好。

[1]闕子揚(yáng)，崔剛，劉宏偉，等.汽車動(dòng)力電源的電池管理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，30(2)：111-113.

[2]黃文華，韓曉東，陳全世，等.電動(dòng)汽車SOC估計(jì)算法與管理系統(tǒng)的研究[J].汽車工程，2007，29(3)：198-202.

[3]麻友良，陳全世，齊古寧.電動(dòng)汽車用電池SOC定義與檢測(cè)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(11)：95-97.

[4]王建群，陳鐵.車輛電控系統(tǒng)中嵌入式數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：403-407.

Battery management system design of mine large capacity backup power

WANG Bo
(Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆amp;Engineering Group CORP,Chongqing 400050,China)

Integration method was a method commonly used in battery management system,but the battery was affected greater by initial SOC,the using of environmental temperature and charge discharge cycles.The effects of various factors on cell SOC were determined by the experimental method,and mathematical model of the influence the battery SOC was established.Charge and discharged data compared with actual practical SOC error was less than 5％.The coal mine for the estimation of the large capacity lithium battery management system SOC requirements were satisfied.

lithium battery;battery management system;SOC estimation method

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0073-02

2015-06-15

王波（1981—），男，四川省人，工程師，主要研究方向?yàn)榈V用鋰電池電源、電子儀器儀表。