蓄电池SOC的研究及预测方法

魏东涛，黄之杰，孔 华，吴潇洁，刘 杰

(1.空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000；2.山东郓城第一初级中学，山东菏泽274700)

蓄电池SOC的研究及预测方法

魏东涛1，黄之杰1，孔 华1，吴潇洁1，刘 杰2

(1.空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000；2.山东郓城第一初级中学，山东菏泽274700)

通过电池荷电状态(SOC)的定义，分析了影响SOC的诸多因素，对比了不同的估算方法，为建立有效的蓄电池智能管理系统打下坚实基础，有利于提高蓄电池使用效率，具有较大的现实意义。

蓄电池；荷电状态；影响因素

提高蓄电池的使用寿命，除了改进生产技术，使用管理也是一个很重要的环节。实现蓄电池实时智能化管理，首先要正确判断蓄电池的荷电状态(State of Charge，SOC)，如果能够正确计算、预测蓄电池的剩余容量，就能够实现蓄电池智能管理系统的各项功能，避免蓄电池的使用不当，减少对蓄电池造成损害，可以延长蓄电池组使用寿命，降低维护费用。

1 SOC的定义和功能

为了准确而科学地表征蓄电池的剩余容量，通常用荷电状态来表征蓄电池的剩余容量，它是表征蓄电池的剩余容量状态的重要参数。SOC不能直接从蓄电池本身获得，只能通过测量蓄电池组的外特性参数(如电流、内阻、电压、温度、老化程度等)间接获得。

1.1 SOC定义

蓄电池的SOC可以从电量和能量两个角度来加以定义。从电量的角度出发将其定义为：蓄电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。如果将蓄电池满充状态定义为SOC=1，那么其定义可表达如下：

或：

从能量角度出发的定义为：

同样的，如果将蓄电池满充状态定义为SOC=1，那么其定义式可表示如下：

在实际的SOC估算应用中，尤其是电动汽车和混合动力系统中，蓄电池的SOC估算定义式比式(1)～式(4)复杂，因为在SOC估算过程中，要充分考虑电流、电压、自恢复性、温度、充放电倍率、循环次数、老化程度等对蓄电池SOC值有较大影响的因素。

韩国起亚汽车公司将SOC定义为：

本田公司将SOC定义为：

式中：剩余电量=额定电量-净放电量-自放电量-温度补偿电量。

以上SOC定义从不同角度对蓄电池的剩余容量进行了定义，其核心是对蓄电池在某一时间点处的性能、技术状态的描述。

1.2 SOC功能

对蓄电池剩余容量的准确估计已成为蓄电池智能管理系统的中心问题。

(1)蓄电池智能管理系统设计的优劣在很大程度上制约着系统的整体性能，一个较好的蓄电池管理系统，能够使蓄电池与负载相匹配，使负载以最高效率工作，同时又能控制蓄电池、电容的使用量最小。而蓄电池智能管理系统的核心部分是蓄电池SOC的准确估算[1]。SOC估算准确与否，将直接影响到蓄电池管理系统的决策和控制，进而影响蓄电池性能的正常发挥。

(2)SOC的准确估算能够延长蓄电池的使用寿命。如果用电压来判断蓄电池充放电状态，不仅存在较大误差，甚至在某些场合下会出现误判。以SOC作为蓄电池充放电判断的标准，充电时，SOC估算准确，可以防止蓄电池过充电，在放电时，准确的SOC估算值能够真实表征蓄电池的电量储备[2]，从而可以防止蓄电池过放电，即在充放电过程中，SOC的准确估算对蓄电池具有较好的保护作用，可以延长蓄电池的使用寿命。

(3)SOC是蓄电池智能管理系统中能量分配的重要依据之一。智能管理系统要根据蓄电池的SOC、负载功率需求等来采取相应控制策略进行能量的合理分配。如果SOC估算不准确，将会导致能量管理系统失调，使得蓄电池在大功率工况之前没有足够的储备，或者在蓄电池和电容有足够电量储备的情况下，管理系统却向负载发出连续运转的指令，从而造成功率浪费。

2 SOC影响因素

影响蓄电池SOC的因素很多，蓄电池的内部参数如电动势、内阻、电容等，在充放电过程中变化幅度较大，对蓄电池的内部模型辨识、确定蓄电池的剩余容量以及确定充放电的上下限比较困难[3]；此外，在蓄电池停止工作过程后，内部的容量会有一定程度的恢复，只有正确掌握蓄电池这种特性，才能准确估算出剩余电量。蓄电池对温度的变化异常敏感，如何调节蓄电池的内部以及周边温度也是一个很难处理的问题。以铅酸蓄电池为例，可以将SOC的影响因素大致分为运行因素、自身因素、温度因素等方面。

2.1 运行因素的影响

影响铅酸蓄电池剩余容量的运行因素有：放电电流、充放电截止电压、充放电循环次数等。

放电电流的影响：放电电流的大小直接影响到铅酸蓄电池的放电容量，在额定放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池所能放出的电量越小，长期对蓄电池进行大电流放电，将导致蓄电池实际容量减少。

充放电截止电压的影响：充放电的截止电压也是影响铅酸蓄电池容量的重要因素之一。在超过放电截止电压而放电时，其端电压急剧下降，并易使极板上生成粗晶粒的硫酸铅(硫化)，会使蓄电池容量降低，影响其使用寿命。超过放电截止电压放电的情况称为过放，要尽量禁止这种情况在蓄电池的使用过程中发生。同理，过充电所产生的大量气泡会对极板微孔造成压力，使极板活性物质容易脱落；电解液因析气而水分减少，其密度增大，液面下降，使得蓄电池的电解液密度过高，极板因液面过低而外露氧化，这均使极板容易硫化，容量减小，使用寿命缩短。

循环充放电次数的影响：蓄电池经历一次充电和放电过程称为一次循环或周期。在一定放电条件下蓄电池工作至某一规定容量值之前，蓄电池所能承受的循环次数称为循环寿命。对于铅酸蓄电池而言，随着蓄电池充放电循环次数的增多，蓄电池的容量也会发生变化。

2.2 自身因素的影响

影响铅酸蓄电池剩余容量的自身因素有：自放电、单体蓄电池之间容量的不均衡性、蓄电池本身的质量及结构因素等[4]。

自放电的影响：蓄电池在非运行放置期间，造成蓄电池容量损失，这种现象称为自放电。自放电率是指蓄电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，导致蓄电池容量损失的速度。自放电率用单位时间内蓄电池容量下降的百分数来表示：

单体蓄电池容量的不均衡性影响：由于蓄电池组是由若干个单体蓄电池组成，各单体蓄电池容量大致相同，但是不能排除个别单体蓄电池的容量偏小或偏大的情况，这样在蓄电池充放电过程中会出现少数蓄电池过充、过放或欠充、欠放的情况，长此以往，会使整个蓄电池组的容量下降，缩短蓄电池组的使用寿命。

蓄电池本身的质量及结构因素的影响：极板的厚度、极板的面积、板栅合金的选择、蓄电池的装配技术都会对蓄电池的性能有重要影响。极板越薄，活性物质的多孔性越好，则电解液渗透越容易，活性物质的利用率越高，输出容量也就越大。极板面积越大，则同时参加反应的活性物质就越多，输出容量也就越大。

2.3 温度因素的影响

影响蓄电池剩余容量的环境因素主要有：环境温度、电解液温度。

环境温度的影响：蓄电池在一定的温度之间可获得最佳的电流放电特性，例如铅酸蓄电池的适用温度为20～40℃。在环境温度过低或过高而导致蓄电池温度降低的情况下，就需要通过温度管理来改变蓄电池的环境温度，从而使蓄电池在一定的温度下获得最好的充放电特性，容量最大化。

电解液温度的影响：温度升高时，硫酸电解液粘度降低，扩散速度增大，电阻值降低，渗透能力增强，在放电至终止电压之前，极板深层的活性物质可以比较充分地参加电化学反应，因此铅酸蓄电池的活性物质的利用率高，使得蓄电池的容量升高。与此相反，当电解液温度降低时，电解液粘度增大，扩散速度减慢，电阻增大，离子的运动受到较大的阻力，电化学反应速度大为减慢，所以蓄电池的容量低。特别是在-50℃时电解液的粘度约为常温时粘度的30倍，因而电阻随温度的降低而明显增加。由上面的分析可以看出：电解液温度的升高有利于蓄电池放出更大的电量，但是电解液的温度不能太高，当温度超过一定的界限时，容易造成正极板弯曲并减少负极板的容量，同时也会增加铅酸蓄电池的自放电，从而影响蓄电池的SOC。因此，在温度允许的范围内，同一蓄电池温度高，蓄电池所能放出的电量就大，其SOC就大；反之，温度低，蓄电池所能放出的电量就小，SOC也就小。

3 SOC预测方法

目前对蓄电池剩余容量的估计还没有一个标准算法。根据当前蓄电池剩余容量预测的技术现状，SOC估算策略主要有：放电实验法、Ah计量法、开路电压法、内阻法、负载电压法、线性模型法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法、动态逼近法等，不同的估算方法各有优缺点、适用场合不同，具体见表1。

表1 几种主要的SOC估算方法对比分析

从表1的分析可知，对于恒定小电流或者电流缓变的情况，除开路电压法、负载电压法、放电实验法，其他各估算方法都具有很好的适应性，同时其估算的精度也满足要求；对于大电流或者电流波动剧烈的场合，卡尔曼滤波法和神经网络法具有较好的适应性，其余估算方法均出现了不同程度的不适应性。卡尔曼滤波法和神经网络法虽然能够适应该场合，但是由于能力要求高，其实现具有较高难度，这些缺点使得这两种方法在实际应用中受到限制。

4 结语

蓄电池在各行业的应用越来越广，要达到实时预测蓄电池的SOC，必须选择合适的估算方法，为蓄电池实时监测系统提供可靠预测数据，最大限度的提高蓄电池的利用率。由于蓄电池种类、结构、工作环境差异较大，建立精确、简单的数学模型及适用的估算方法，及时、准确地预测蓄电池的状态参数，避免一些突发性的事故，仍是急需解决的问题。

[1]林成涛.用改进的安时计量法估计电动汽车动力电池[J].清华大学学报，2006，46(2):247-251.

[2]齐智.利用神经网络预测电池SOC的研究[J].电源技术，2005，29 (5):325-328.

[3]刘倩.基于神经网络的电池容量预测[J].武汉理工大学学报，2006，28(3):28-31.

[4]斐锋.电动汽车动力电池变流放电特性与荷电状态实时估计[J].中国电机工程学报，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

魏东涛(1985—)，男，甘肃省人，硕士，主要研究方向为装备技术。