蓄電池SOC的研究及預(yù)測方法

魏東濤，黃之杰，孔 華，吳瀟潔，劉 杰

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.山東鄆城第一初級中學(xué)，山東菏澤274700)

蓄電池SOC的研究及預(yù)測方法

魏東濤1，黃之杰1，孔 華1，吳瀟潔1，劉 杰2

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.山東鄆城第一初級中學(xué)，山東菏澤274700)

通過電池荷電狀態(tài)(SOC)的定義，分析了影響SOC的諸多因素，對比了不同的估算方法，為建立有效的蓄電池智能管理系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有利于提高蓄電池使用效率，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

蓄電池；荷電狀態(tài)；影響因素

提高蓄電池的使用壽命，除了改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，使用管理也是一個很重要的環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)蓄電池實(shí)時智能化管理，首先要正確判斷蓄電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，如果能夠正確計(jì)算、預(yù)測蓄電池的剩余容量，就能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池智能管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，避免蓄電池的使用不當(dāng)，減少對蓄電池造成損害，可以延長蓄電池組使用壽命，降低維護(hù)費(fèi)用。

1 SOC的定義和功能

為了準(zhǔn)確而科學(xué)地表征蓄電池的剩余容量，通常用荷電狀態(tài)來表征蓄電池的剩余容量，它是表征蓄電池的剩余容量狀態(tài)的重要參數(shù)。SOC不能直接從蓄電池本身獲得，只能通過測量蓄電池組的外特性參數(shù)(如電流、內(nèi)阻、電壓、溫度、老化程度等)間接獲得。

1.1 SOC定義

蓄電池的SOC可以從電量和能量兩個角度來加以定義。從電量的角度出發(fā)將其定義為：蓄電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。如果將蓄電池滿充狀態(tài)定義為SOC=1，那么其定義可表達(dá)如下：

或：

從能量角度出發(fā)的定義為：

同樣的，如果將蓄電池滿充狀態(tài)定義為SOC=1，那么其定義式可表示如下：

在實(shí)際的SOC估算應(yīng)用中，尤其是電動汽車和混合動力系統(tǒng)中，蓄電池的SOC估算定義式比式(1)～式(4)復(fù)雜，因?yàn)樵赟OC估算過程中，要充分考慮電流、電壓、自恢復(fù)性、溫度、充放電倍率、循環(huán)次數(shù)、老化程度等對蓄電池SOC值有較大影響的因素。

韓國起亞汽車公司將SOC定義為：

本田公司將SOC定義為：

式中：剩余電量=額定電量-凈放電量-自放電量-溫度補(bǔ)償電量。

以上SOC定義從不同角度對蓄電池的剩余容量進(jìn)行了定義，其核心是對蓄電池在某一時間點(diǎn)處的性能、技術(shù)狀態(tài)的描述。

1.2 SOC功能

對蓄電池剩余容量的準(zhǔn)確估計(jì)已成為蓄電池智能管理系統(tǒng)的中心問題。

(1)蓄電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣在很大程度上制約著系統(tǒng)的整體性能，一個較好的蓄電池管理系統(tǒng)，能夠使蓄電池與負(fù)載相匹配，使負(fù)載以最高效率工作，同時又能控制蓄電池、電容的使用量最小。而蓄電池智能管理系統(tǒng)的核心部分是蓄電池SOC的準(zhǔn)確估算[1]。SOC估算準(zhǔn)確與否，將直接影響到蓄電池管理系統(tǒng)的決策和控制，進(jìn)而影響蓄電池性能的正常發(fā)揮。

(2)SOC的準(zhǔn)確估算能夠延長蓄電池的使用壽命。如果用電壓來判斷蓄電池充放電狀態(tài)，不僅存在較大誤差，甚至在某些場合下會出現(xiàn)誤判。以SOC作為蓄電池充放電判斷的標(biāo)準(zhǔn)，充電時，SOC估算準(zhǔn)確，可以防止蓄電池過充電，在放電時，準(zhǔn)確的SOC估算值能夠真實(shí)表征蓄電池的電量儲備[2]，從而可以防止蓄電池過放電，即在充放電過程中，SOC的準(zhǔn)確估算對蓄電池具有較好的保護(hù)作用，可以延長蓄電池的使用壽命。

(3)SOC是蓄電池智能管理系統(tǒng)中能量分配的重要依據(jù)之一。智能管理系統(tǒng)要根據(jù)蓄電池的SOC、負(fù)載功率需求等來采取相應(yīng)控制策略進(jìn)行能量的合理分配。如果SOC估算不準(zhǔn)確，將會導(dǎo)致能量管理系統(tǒng)失調(diào)，使得蓄電池在大功率工況之前沒有足夠的儲備，或者在蓄電池和電容有足夠電量儲備的情況下，管理系統(tǒng)卻向負(fù)載發(fā)出連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的指令，從而造成功率浪費(fèi)。

2 SOC影響因素

影響蓄電池SOC的因素很多，蓄電池的內(nèi)部參數(shù)如電動勢、內(nèi)阻、電容等，在充放電過程中變化幅度較大，對蓄電池的內(nèi)部模型辨識、確定蓄電池的剩余容量以及確定充放電的上下限比較困難[3]；此外，在蓄電池停止工作過程后，內(nèi)部的容量會有一定程度的恢復(fù)，只有正確掌握蓄電池這種特性，才能準(zhǔn)確估算出剩余電量。蓄電池對溫度的變化異常敏感，如何調(diào)節(jié)蓄電池的內(nèi)部以及周邊溫度也是一個很難處理的問題。以鉛酸蓄電池為例，可以將SOC的影響因素大致分為運(yùn)行因素、自身因素、溫度因素等方面。

2.1 運(yùn)行因素的影響

影響鉛酸蓄電池剩余容量的運(yùn)行因素有：放電電流、充放電截止電壓、充放電循環(huán)次數(shù)等。

放電電流的影響：放電電流的大小直接影響到鉛酸蓄電池的放電容量，在額定放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池所能放出的電量越小，長期對蓄電池進(jìn)行大電流放電，將導(dǎo)致蓄電池實(shí)際容量減少。

充放電截止電壓的影響：充放電的截止電壓也是影響鉛酸蓄電池容量的重要因素之一。在超過放電截止電壓而放電時，其端電壓急劇下降，并易使極板上生成粗晶粒的硫酸鉛(硫化)，會使蓄電池容量降低，影響其使用壽命。超過放電截止電壓放電的情況稱為過放，要盡量禁止這種情況在蓄電池的使用過程中發(fā)生。同理，過充電所產(chǎn)生的大量氣泡會對極板微孔造成壓力，使極板活性物質(zhì)容易脫落；電解液因析氣而水分減少，其密度增大，液面下降，使得蓄電池的電解液密度過高，極板因液面過低而外露氧化，這均使極板容易硫化，容量減小，使用壽命縮短。

循環(huán)充放電次數(shù)的影響：蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電過程稱為一次循環(huán)或周期。在一定放電條件下蓄電池工作至某一規(guī)定容量值之前，蓄電池所能承受的循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)壽命。對于鉛酸蓄電池而言，隨著蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)的增多，蓄電池的容量也會發(fā)生變化。

2.2 自身因素的影響

影響鉛酸蓄電池剩余容量的自身因素有：自放電、單體蓄電池之間容量的不均衡性、蓄電池本身的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)因素等[4]。

自放電的影響：蓄電池在非運(yùn)行放置期間，造成蓄電池容量損失，這種現(xiàn)象稱為自放電。自放電率是指蓄電池在存放時間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，導(dǎo)致蓄電池容量損失的速度。自放電率用單位時間內(nèi)蓄電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示：

單體蓄電池容量的不均衡性影響：由于蓄電池組是由若干個單體蓄電池組成，各單體蓄電池容量大致相同，但是不能排除個別單體蓄電池的容量偏小或偏大的情況，這樣在蓄電池充放電過程中會出現(xiàn)少數(shù)蓄電池過充、過放或欠充、欠放的情況，長此以往，會使整個蓄電池組的容量下降，縮短蓄電池組的使用壽命。

蓄電池本身的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)因素的影響：極板的厚度、極板的面積、板柵合金的選擇、蓄電池的裝配技術(shù)都會對蓄電池的性能有重要影響。極板越薄，活性物質(zhì)的多孔性越好，則電解液滲透越容易，活性物質(zhì)的利用率越高，輸出容量也就越大。極板面積越大，則同時參加反應(yīng)的活性物質(zhì)就越多，輸出容量也就越大。

2.3 溫度因素的影響

影響蓄電池剩余容量的環(huán)境因素主要有：環(huán)境溫度、電解液溫度。

環(huán)境溫度的影響：蓄電池在一定的溫度之間可獲得最佳的電流放電特性，例如鉛酸蓄電池的適用溫度為20～40℃。在環(huán)境溫度過低或過高而導(dǎo)致蓄電池溫度降低的情況下，就需要通過溫度管理來改變蓄電池的環(huán)境溫度，從而使蓄電池在一定的溫度下獲得最好的充放電特性，容量最大化。

電解液溫度的影響：溫度升高時，硫酸電解液粘度降低，擴(kuò)散速度增大，電阻值降低，滲透能力增強(qiáng)，在放電至終止電壓之前，極板深層的活性物質(zhì)可以比較充分地參加電化學(xué)反應(yīng)，因此鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)的利用率高，使得蓄電池的容量升高。與此相反，當(dāng)電解液溫度降低時，電解液粘度增大，擴(kuò)散速度減慢，電阻增大，離子的運(yùn)動受到較大的阻力，電化學(xué)反應(yīng)速度大為減慢，所以蓄電池的容量低。特別是在-50℃時電解液的粘度約為常溫時粘度的30倍，因而電阻隨溫度的降低而明顯增加。由上面的分析可以看出：電解液溫度的升高有利于蓄電池放出更大的電量，但是電解液的溫度不能太高，當(dāng)溫度超過一定的界限時，容易造成正極板彎曲并減少負(fù)極板的容量，同時也會增加鉛酸蓄電池的自放電，從而影響蓄電池的SOC。因此，在溫度允許的范圍內(nèi)，同一蓄電池溫度高，蓄電池所能放出的電量就大，其SOC就大；反之，溫度低，蓄電池所能放出的電量就小，SOC也就小。

3 SOC預(yù)測方法

目前對蓄電池剩余容量的估計(jì)還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)算法。根據(jù)當(dāng)前蓄電池剩余容量預(yù)測的技術(shù)現(xiàn)狀，SOC估算策略主要有：放電實(shí)驗(yàn)法、Ah計(jì)量法、開路電壓法、內(nèi)阻法、負(fù)載電壓法、線性模型法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法、動態(tài)逼近法等，不同的估算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)、適用場合不同，具體見表1。

表1 幾種主要的SOC估算方法對比分析

從表1的分析可知，對于恒定小電流或者電流緩變的情況，除開路電壓法、負(fù)載電壓法、放電實(shí)驗(yàn)法，其他各估算方法都具有很好的適應(yīng)性，同時其估算的精度也滿足要求；對于大電流或者電流波動劇烈的場合，卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有較好的適應(yīng)性，其余估算方法均出現(xiàn)了不同程度的不適應(yīng)性。卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖然能夠適應(yīng)該場合，但是由于能力要求高，其實(shí)現(xiàn)具有較高難度，這些缺點(diǎn)使得這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

4 結(jié)語

蓄電池在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，要達(dá)到實(shí)時預(yù)測蓄電池的SOC，必須選擇合適的估算方法，為蓄電池實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)提供可靠預(yù)測數(shù)據(jù)，最大限度的提高蓄電池的利用率。由于蓄電池種類、結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境差異較大，建立精確、簡單的數(shù)學(xué)模型及適用的估算方法，及時、準(zhǔn)確地預(yù)測蓄電池的狀態(tài)參數(shù)，避免一些突發(fā)性的事故，仍是急需解決的問題。

[1]林成濤.用改進(jìn)的安時計(jì)量法估計(jì)電動汽車動力電池[J].清華大學(xué)學(xué)報，2006，46(2):247-251.

[2]齊智.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測電池SOC的研究[J].電源技術(shù)，2005，29 (5):325-328.

[3]劉倩.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電池容量預(yù)測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，28(3):28-31.

[4]斐鋒.電動汽車動力電池變流放電特性與荷電狀態(tài)實(shí)時估計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(9):164-168.

Battery SOC research and prediction methods

Based on the definition of SOC,SOC factors were analyzed.Different estimation methods were compared, and it can lay a solid foundation for establishment of an effective intelligent battery management system.It's helpful to improve the operation efficiency of battery and has great economic signification.

battery;SOC;factor

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1321-03

2015-12-16

魏東濤(1985—)，男，甘肅省人，碩士，主要研究方向?yàn)檠b備技術(shù)。