車載鋰電池SOC 估算方法和應(yīng)用探析

趙馨月

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

在電動(dòng)企業(yè)行業(yè)發(fā)展中，鋰電池是被公認(rèn)的最適合電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，鋰電池和其他類型的電池相比，優(yōu)勢(shì)更加明顯突出。在進(jìn)行鋰電池使用過程中，要充分發(fā)揮出鋰電池性能的良好性價(jià)值和管理系統(tǒng)，這就需要對(duì)鋰電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估算。通過對(duì)車載鋰電池SOC 進(jìn)行準(zhǔn)確估算可以保障電池組中各個(gè)電池性能的穩(wěn)定性，提高鋰電池的使用壽命；另外，通過對(duì)鋰電池SOC 的準(zhǔn)確估算，可以在電池管理系統(tǒng)中開展準(zhǔn)確的能量管理，提高電池的使用效率；此外，在對(duì)電池進(jìn)行充放電時(shí)，通過SOC 估算，可以規(guī)范電池充放電中的不合理使用行為，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。所以，對(duì)鋰電池SOC 估算方法及應(yīng)用進(jìn)行分析研究有著非常明顯的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義。

1 車載鋰電池SOC 估算方法

1.1 按時(shí)計(jì)量法

在進(jìn)行鋰電池SOC 估算時(shí)，最常用的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量估算法就是安時(shí)法，這種估算方法的表達(dá)方式為；其中SOC（t）表示的是估算得到的SOC 值，SOC（to）表示為初始階段SOC 的值；η 代表了庫倫效率；k 表示的是電池容量衰減系數(shù)；Cr 為電池的額定容量；i（t）表示的是當(dāng)前電流值，在進(jìn)行放電的時(shí)候是正值，充電的時(shí)候是負(fù)值。安時(shí)估算法的應(yīng)用頻率和范圍比較廣，但是，這種方法在進(jìn)行鋰電池SOC 估算時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)明顯的局限性和不足。比如，這種估算方法對(duì)于初始荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確性要求非常高，一般情況下，會(huì)按照電動(dòng)勢(shì)法的方式來取得所需要的各種數(shù)據(jù)信息；這種估算方法是一種開環(huán)算法，在估算進(jìn)行的過程中，一旦出現(xiàn)誤差會(huì)隨著估算的深入誤差會(huì)不斷增大，造成最終的估算結(jié)果和準(zhǔn)確結(jié)果差距過大，估算的結(jié)果出現(xiàn)不準(zhǔn)確的問題。另外，為了確保最終估算值的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行估算過程中，要結(jié)合鋰電池老化程度來對(duì)估算過程中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)更新，這也就說明，采用安時(shí)估算法進(jìn)行估算時(shí)，相關(guān)的參數(shù)并不是固定不變的，是需要進(jìn)行不斷更新的，這樣才進(jìn)行荷電狀態(tài)進(jìn)行估算是難度和復(fù)雜性會(huì)大大增加。

1.2 開路電壓法（電動(dòng)勢(shì)法）

車載鋰電池荷電狀態(tài)值和其他電動(dòng)勢(shì)E 之間的關(guān)系呈現(xiàn)出了一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是E-SOC 曲線。在鋰電池長(zhǎng)期保持安靜的狀態(tài)下，電池的電極也會(huì)處在一個(gè)平衡的狀態(tài)下，這時(shí)電動(dòng)勢(shì)E 就是開路電壓，這樣電動(dòng)勢(shì)法以電池開路電壓看作是輸入來對(duì)電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算分析。在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量的過程中，通常會(huì)在溫度恒定的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，溫度會(huì)控制在25℃左右，在合適的電流下進(jìn)行放電處理，電池的荷電狀態(tài)每降低5%，靜置的時(shí)間為3 ～5 小時(shí)，然后將相對(duì)應(yīng)的開路電壓記錄下來。通過多次擬合后，獲取電池荷電狀態(tài)估算方式為在本關(guān)系式中，p1、p2、p3……pn表示的是多項(xiàng)式擬合系數(shù)。這種電動(dòng)勢(shì)估算方法應(yīng)用時(shí)比較簡(jiǎn)單，但是也會(huì)受到電池長(zhǎng)時(shí)間處在靜置狀態(tài)需求和其他方法結(jié)合使用要求的影響，在對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行估算時(shí)，要采用高精度的荷電狀態(tài)估算。

1.3 直流內(nèi)阻法

如圖1 所示，為車載鋰電池的等效模型，在該模型中，鋰電池外的電壓為Uo，其中開路電壓為UOCV，直流電阻為RΩ，直流電阻降壓為UR，極化阻抗為Zp，極化阻抗的電壓為Up，而電池的荷電狀態(tài)和開路電壓之間是一種單一性的非線性關(guān)系。

圖1 鋰電池的等效模型

鋰電池在充放電的過程中，內(nèi)阻變化的范圍是不相同的。在進(jìn)行充放電的開始階段，荷電狀態(tài)會(huì)保持在0 ～50%，此時(shí)的內(nèi)阻變化比較大，在充放電最后階段，荷電狀態(tài)會(huì)保持在50%～100%，內(nèi)阻的變化不大，相對(duì)來說比較穩(wěn)定。這樣就可以采用相應(yīng)的檢查結(jié)果對(duì)鋰電池的直流電阻情況進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算。

在采用直流內(nèi)阻法進(jìn)行鋰電池荷電狀態(tài)估算時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)3 種缺點(diǎn)：（1）如果鋰電池自身的阻抗在荷電狀態(tài)50%的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)比較大的變動(dòng)，如果荷電狀態(tài)在50%～80%，就沒有辦法借助直流電阻對(duì)荷電狀態(tài)進(jìn)行估算；（2）車載鋰電池自身所產(chǎn)生的直流電阻并不是很大，僅僅有1/1000 歐姆，但是，要進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算并不容易，因此采用直流電子的方式來進(jìn)行計(jì)算會(huì)出現(xiàn)很大的偏差；（3）如果是在相同的荷電狀態(tài)下，鋰電池的直流阻抗也會(huì)受到溫度、電池使用時(shí)間等多種因素的影響，這樣同一的荷電狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)不同的計(jì)算結(jié)果，或者是在相同抗阻下出現(xiàn)了多種不同的荷電狀態(tài)，這樣就沒有可對(duì)比性和對(duì)照性。此外，鋰電池的阻抗還會(huì)受到自身化學(xué)屬性的影響，同時(shí)極板構(gòu)架也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，并且鋰電池的加工也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響，相同的電池生產(chǎn)流程產(chǎn)生的阻抗和荷電狀態(tài)也會(huì)有明顯的不同。因此，采用單一性的直流內(nèi)阻法來進(jìn)行鋰電池荷電狀態(tài)的估算并不能準(zhǔn)確地獲取準(zhǔn)確結(jié)果，在鋰電池管理體系中也沒有辦法得到相應(yīng)的使用。

2 車載鋰電池對(duì)SOC 估算法的要求

電動(dòng)汽車中的電池動(dòng)力為鋰電池，這就需要對(duì)鋰電池組的充放電過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，這樣對(duì)鋰電池SOC 估算的準(zhǔn)確性要求比較高。

（1）需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性的實(shí)時(shí)估算。在進(jìn)行荷電狀態(tài)估算時(shí)，要將荷電狀態(tài)的信息進(jìn)行公開。在進(jìn)行荷電狀態(tài)估算時(shí)，開路電壓法和內(nèi)阻法的檢測(cè)性缺乏準(zhǔn)確性，所以不能采取這種估算防范，但是，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)估算法需要眾多的信息數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用性和實(shí)踐性不足，這樣就沒有辦法進(jìn)行實(shí)時(shí)性的估算。

（2）需要對(duì)累計(jì)偏差進(jìn)行修正。在車載電池運(yùn)行中是沒有辦法進(jìn)行充放電的，卻可以讓鋰電池充放到平臺(tái)以下，在收尾的位置進(jìn)行響應(yīng)的修正處理。在進(jìn)行充電時(shí)，也可以對(duì)其中的電流進(jìn)行管理控制，這就需要在鋰電池離線狀態(tài)下對(duì)曲線進(jìn)行檢測(cè)，借助查表方式來進(jìn)行修正處理。

（3）如果鋰電池長(zhǎng)期處在靜置狀態(tài)，要按照電池開路電壓來對(duì)荷電狀態(tài)進(jìn)行估算，此過程中如果收尾出現(xiàn)了比較大的偏差，就需要進(jìn)行修整處理。

3 車載鋰電池SOC 估算方法的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析

按照安時(shí)估算方法來對(duì)車載鋰電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算分析。鋰電池在充電狀態(tài)時(shí)，按照鋰電池單體充電截止電壓的特性，結(jié)合電芯充電末端的最高電壓來對(duì)末端進(jìn)行修正處理。在放電荷電狀態(tài)估算時(shí)，借助電動(dòng)勢(shì)法的方式來對(duì)放電OCV 實(shí)施末端修正。某車載鋰電池組為521.64V/4040A·h，單體電芯為3.22V/202A·h，充電停止時(shí)的電壓為3.7V。在對(duì)該車載鋰電池組荷電狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，充電時(shí)長(zhǎng)為1h17min，此時(shí)，開始時(shí)的最高電壓為3.306，結(jié)束時(shí)的最高電壓為3.704；放電時(shí)長(zhǎng)為13h26min，此時(shí)，開始時(shí)的最高電壓為3.474，結(jié)束時(shí)的最高電壓為3.247。充放電試驗(yàn)單體電壓曲線如圖2 所示。

圖2 充放電實(shí)驗(yàn)單體電壓曲線變化值

3.2 鋰電池充放電荷電狀態(tài)估算分析

按照鋰電池充放電電流和時(shí)間數(shù)據(jù)，并采用安時(shí)法的方式來對(duì)t 時(shí)間荷電狀態(tài)值，按照安時(shí)法的計(jì)算公式。如果庫倫效率η 以最合適的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，η為1，額定容量Cr 為404A·h，電池容量衰減系統(tǒng)k，按照容量衰減計(jì)算方式；同一個(gè)型號(hào)的車載鋰電池在充電記錄中的線性度比較好中段的荷電狀態(tài)在30%～80%之間，也就是說，荷電狀態(tài)增加量QSOC為0.5，充電容量Q 為181.6A·h，這樣車載鋰電池在t 時(shí)的荷電狀態(tài)值為0.9。

在進(jìn)行充電荷電狀態(tài)值估算和修正時(shí)，充電SOC 為36%，采用安時(shí)法的估算方式，圖2 中的充電曲線為當(dāng)前電流值，在進(jìn)行充電容量荷電狀態(tài)值進(jìn)行估算時(shí)，充電末端單體電壓在上升到3.7V 時(shí)，利用充電末端最高電壓Vmax 來進(jìn)行修正，并把荷電狀態(tài)值從99%調(diào)整為100%，其余的荷電狀態(tài)估值全部相同。

在進(jìn)行放電荷電狀態(tài)估算及修正時(shí)，放電核電狀態(tài)值為100%，按照安時(shí)法的計(jì)算方式，估算放電過程中的荷電狀態(tài)值按照下述進(jìn)行計(jì)算。放電末端的核電狀態(tài)值開始估算為25%。如果根據(jù)OCV-SOC 曲線來進(jìn)行修正的話，放電末端的荷電狀態(tài)初始值進(jìn)行修正。為了避免在放電過程中出現(xiàn)內(nèi)阻和極化效應(yīng)，以MATLAB 中的cftool 擬合工具箱，并結(jié)合OCV-SOC 獲得的數(shù)據(jù)，采用電動(dòng)勢(shì)法的計(jì)算公式進(jìn)行估算，得出最終的擬合曲線參數(shù)值。在鋰電池放電在荷電狀態(tài)估算值25%后再靜置一段時(shí)間，單體的最高電壓將會(huì)保持在3.247V 左右。此時(shí)，所對(duì)應(yīng)的核電狀態(tài)值為23%，因此，荷電狀態(tài)值從初期采用安時(shí)法估算的25%調(diào)整為23%。

4 結(jié)語

電動(dòng)汽車中的電池組大概率采用的是鋰電池，所以，車載鋰電池的性能會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的整體性能產(chǎn)生直接性的影響。因此，對(duì)車載鋰電池SOC 估算和應(yīng)用進(jìn)行分析研究有著重要價(jià)值和意義。為了更好地對(duì)車載鋰電池SOC 估算方法和應(yīng)用進(jìn)行分析探討，本文在分析介紹了實(shí)驗(yàn)測(cè)量SOC 估算中常用的按時(shí)法、內(nèi)阻法和電動(dòng)勢(shì)法的基礎(chǔ)上，介紹了車載鋰電池對(duì)SOC估算法的要求，最后，結(jié)合試驗(yàn)檢測(cè)案例對(duì)按時(shí)法和開路電壓法的實(shí)際估算和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討。