锂电池SOC估算方法的研究

王波(中煤科工集团重庆研究院，重庆400050)

锂电池SOC估算方法的研究

王波
(中煤科工集团重庆研究院，重庆400050)

安时积分法是电池管理系统比较常用的一种方法，但是电池受初始荷电状态(SOC)、使用环境温度、充放电循环次数等影响较大。通过实验方法确定各种因素对电池SOC的影响，建立影响电池SOC的数学模型；经过与实际的充放电数据比较得到实际SOC误差低于5％，满足煤矿井下对大容量锂电池管理系统SOC估算的要求。

锂电池；电池管理系统；SOC估算方法

国家对煤矿井下移动式救生舱和避难硐室建设非常重视，要求建设数量大。作为其必备的配套设施，大容量应急后备电源会有很大的市场需求。研究一种适合煤矿井下移动式救生舱和避难硐室用的大容量应急后备电源，具有很大的社会效益和经济效益。

如何使电源长时间待机，关键时刻发挥功效呢？这要求电池管理系统(BMS)不仅能准确监测电池组的电池单体的信息，而且还要能够实时反应电池组的剩余电量[1]，因此估算电池组的荷电状态(SOC)极其重要。

1 锂电池SOC估算方法

电池的SOC值是电池管理系统控制策略的重要参数，实时了解电池能量的关键指标。目前常用的安时积分法估算电池SOC的算法公式[2]为：

式中：SOC0为初始荷电状态；C为电池可用容量；η为充放电效率；I在放电时为正，在充电时为负。SOC0通过开路电压法得到，充放电效率η为电池厂家提供数据，电流I通过电流传感器检测得到；电池可用容量C取电池的额定容量。

但是电池的可用容量是变化的，其受环境温度、充放电循环次数等因素影响，不能简单利用额定容量来代替。其电池可用容量表示为：

式中：CA为电池的额定容量；CT为容量受温度影响的修正值；CN为容量受循环充放电次数影响的修正值。

2 锂电池SOC估算方法的修正研究

本文采用电池SOC估算方法是初始阶段使用开路电压法，然后用安时法和修正容量相结合的方法。本文的算法公式为：

2.1电池的SOC与电池电压的关系

首先对60 Ah电池组以0.1C电流进行充电实验，获取电池的SOC与单体电池电压 (以下都以电池组平均电压作为研究对象)间的关系曲线，如图1所示。

电池实际可以在线测量到的电压是电池两个极柱上的外电压(UO)。电池的外电压等于电池的开路电压(OCV)加上电池的欧姆压降(UR)以及电池的极化电压[3](UP)。当电池充放电电流为0并且静置足够长的时间之后,电池的UR和UP都为0，那么电池的开路电压OCV就等于电池的端电压UO。但是根据电池电压-SOC曲线也不能准确修正LiFePO4电池SOC。LiFePO4电池的OCV曲线比较平坦，特别是SOC为10％～90％区间。

因此单纯用开路电压法对其SOC进行估算比较困难，只能作为BMS开机时SOC0的估算。

图1　电池SOC与电池电压的关系曲线

2.2SOC0对电池SOC预测误差的影响

通过对电池SOC算法的分析可知，电池初始荷电状态SOC0的确定对SOC的估算有直接影响，下面讨论电池SOC0与电池SOC的关系。

(1)实验方法

首先对电池组进行0.1C恒流放电，模拟电源在负载情况下的工作情况。电池在不同的SOC0估算情况下得到的电池SOC关系曲线如图2所示。

图2　电池在不同初始SOC0下的SOC曲线

(2)实验分析

不同SOC0下电池的SOC估算值相差较远，且不同SOC0下的SOC曲线趋于平行，这说明SOC0对于电池SOC估算误差的影响十分显著，同时其他影响SOC的因素在整个放电区间内保持稳定。

(3)实验结果

由图1可以看出，锂电池的OCV-SOC曲线在各段的线性度较好，可以将电池的开路电压分成N个阶段来判断电池SOC0值，其中N越大SOC0判断更加准确。如果以12个阶段为例，将图1按照这种方式，电压可分为12个阶段，得到表1。当系统开机，管理系统需要重新计算SOC0时，只需检测电池开路电压，然后查表1就能得到当前SOC0。

2.3环境温度与电池SOC的关系

电池的总容量和很多因素有关，其中比较重要的有以下3个：环境温度，电池的循环次数(或认为是电池的SOH)，电池的平均放电电流[4]。

(1)实验方法

在室温条件下，将电池组以0.1C恒流充电60 Ah停止充电，静置1 h后，再将电池组放进高低温箱，设定工作温度60℃，进行放电，记录数据；取出电池组以上述方法再将电池组充电。按照上述方法重复将同一电池组分别置于-40、-20、0、20、40℃的工作温度下进行放电实验，得到电池SOC与环境温度的关系，如图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

图3　　电池的总容量与环境温度的关系

(2)实验分析

低温下电池容量衰减得极快，容量随着温度升高而增长，其速率相对低温下较慢。－40℃时，电池的容量仅为标称值的1/3，而在0～40℃，电池的容量从标称容量的82％升至接近99％。所以磷酸铁锂电池最佳工作温度区间为0～40℃。在BMS中检测电池工作温度，计算SOC时，必须修正电池的总容量，保证SOC估算的精确度。

(3)实验结果

将电池随环境温度分N个阶段来判断电池容量修正值CT，N越大则CT判断更加准确，将温度分为7个阶段，得到表2。

2.4电池循环次数与电池容量的关系

???????????????????? ?? 　????/? 　C/Ah 1 　＆gt;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 　＆lt;?40 　38.0

电池的老化主要考虑电池的容量衰退和电池内阻的增加，电池老化后的SOC的修正对于完善BMS的管理和延长成组电池的寿命具有重要意义。

(1)实验方法

在室温环境下，将同一组电池以0.1C恒流充电至60 Ah，静置1 h后再对该电池组以0.1C恒流放电至放电结束，记录放电安时数。重复上述步骤200次，整理、计算上述数据得到充放电循环次数与电池容量的关系曲线，如图4所示。

图4　充放电循环次数与电池容量的关系

(2)实验分析

由于电池反应的是电池内部电化学的特性，通常规定电池容量低于额定容量的80％则认为电池寿命终止。200次循环后，被测试电池的容量保持能力有所下降，电流接受能力降低，极化电压增大，寿命下降。由于完成一次充放电时间较长，目前只进行了200次充放电循环实验，但是容量随着电池充放电循环次数增加而减少的趋势比较明显。循环200次后容量衰减到额定容量的95％。

(3)实验结果

根据容量随着电池充放电循环次数的增加而减少的趋势，必须对容量进行修正，容量修正公式为：

将记录的数据按照修正值计算公式进行计算，得到表3，BMS记录充放电循环次数，当循环次数增加至表3所示的次数时修正CN。

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

2.5电池SOC估算算法检测误差

针对上述实验结论数据，分析各个因素对电池SOC的影响，得到电池SOC的估算方法如式(3)所示。将该算法加入BMS。以下是对采用该算法的电池SOC检测误差的验证实验。

(1)实验方法

在室温环境下，将同一组电池以0.1C充电至60 Ah停止充电，静置1 h后，再以0.1C放电60 Ah结束，最后将BMS数据与外接检测设备数据作对比分析，如图5所示。

图5　电池SOC检测误差

(2)实验分析

电池SOC检测误差=(真实值－检测值)/额定容量100％，通过对整个充放电过程数据的分析，取检测值与真实值差异比较大的时刻，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)实验结果

电池SOC检测值总是低于真实值，最大误差通常出现在充放电循环的开始和结束处，且电池SOC检测误差＆lt;5％。

3 结论

该算法实用性较强、易于嵌入式编程实现，且实验验证电池SOC检测误差满足煤矿井下大容量锂电池管理系统的标准要求，目前已应用在松藻、云家岭等地煤矿避难硐室后备电源电池管理系统之中，后备电源实际运行状况良好。

[1]阙子扬，崔刚，刘宏伟，等.汽车动力电源的电池管理系统[J].计算机技术与发展，2006，30(2)：111-113.

[2]黄文华，韩晓东，陈全世，等.电动汽车SOC估计算法与管理系统的研究[J].汽车工程，2007，29(3)：198-202.

[3]麻友良，陈全世，齐古宁.电动汽车用电池SOC定义与检测方法[J].清华大学学报，2001(11)：95-97.

[4]王建群，陈铁.车辆电控系统中嵌入式数据采集技术[J].北京理工大学学报，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，工程师，主要研究方向为矿用锂电池电源、电子仪器仪表。