锂电池组剩余电量SOC估算方法的分析与研究

李名莉，邱兵涛，贾琳鹏

(1.河南工业职业技术学院机电自动化学院，河南 南阳 473000;2.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局,河南 郑州 450000 )

0 引言

纯电动汽车产业发展的主要制约因素是电池技术。电池技术的开发决定着汽车行业的发展，许多国家和企业对此投入了大量资金。电动汽车在正常工作状态时，电池组的温度、电压和电流需控制在一定范围内。电池组维护不当会影响锂电池的使用时限，甚至会引起火灾，危及人身安全。因此，加强对电池组的性能、成本、安全性的控制管理至关重要。对电池组控制管理，实则是对电池组的电池管理系统(battery management system,BMS)进行研究，行之有效的措施就是延长电池使用寿命[1-3]。

我国在BMS的研究领域处于先进水平，某些技术甚至处于领先地位。在国内，有很多机构(如高校、电池生产厂、汽车制造厂等)研发了功能完善的BMS，大多已经通过了装车试验，部分实现了量产。北京交通大学设计和研发了多套高性能的BMS，成功应用于北京公交公司、北京奥运电动大巴、北京121示范线等[4]。经过不断的优化与改进，BMS从最始的监控系统发展为功能齐备的管理系统，但在电池组模型创建、精度、通信网络优化、剩余电量荷电状态(state of charge,SOC)等方面还需进行深入研究[5-7]。

1 剩余电量SOC算法研究

动力电池是电动汽车重要的组成部分，决定着其性能，推动着电动汽车行业的发展。电池的荷电状态SOC反映了电池的剩余容量。因此，对动力电池SOC估算方法进行研究是非常必要的。

电池的荷电状态SOC计算公式为：

(1)

式中：Q0为基准容量，A·h；Q1为电池剩余容量，A·h。

由式(1)可知，电池的荷电状态SOC是剩余容量和电池实际容量的比值，为变量。电池的基准容量(即实际容量)会在使用过程中随着电池寿命的变化而变化，呈现下降趋势。一般情况下，为了方便计算，电池的基准容量以额定容量计算。

以电池的额定容量作为基准容量计算，虽然简洁方便、运算量少，但实际应用还存在一些问题。例如，对于刚使用的新电池，其实际容量高于额定容量，

SOC>1；对于工作时限较长的电池，实际容量则低于额定容量，SOC<1[8]。针对这种情况，还有一种方法是把电池组的初始容量看作基准容量。其优点是误差较小，缺点是初始容量每组电池不确定，需要对电池参数设计，批量生产费时费力，影响效率[8-9]。

若设定电池满电状态时，SOC=1，则：

(2)

式中：Q为电池使用容量。

在实际应用中，初始状态不能保证一直处于满电状态，SOC又可表示为：

(3)

式中：Q0为基准容量；QS为初始电量；QU为过程电量。

在式(3)中，只要确定QS和QU两个变量，就可以计算出SOC。在应用中，除了QS和QU对SOC产生影响外，还存在一些外在因素，如温度、电池老化、系统测量误差、电池初始状态等。必须综合考虑这些因素对结果产生的影响，以减少误差，取得精确估算值[9-10]。

对剩余电量SOC进行估算的方法有很多，典型的估算方法有放电试验法、安时积分法、开路电压法、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。几种典型SOC估算方法对比如表1所示。

表1 几种典型SOC估算方法对比表

Tab.1 Comparison of several typical estimation methods for SOC

这六种估算方法适用范围不同，有各自的优缺点。从表1中的对比可以看出，安时积分法、开路电压法在几种算法中脱颖而出。安时积分法操作简单、安全可靠、应用普遍，缺点在于依赖初始值，不能把控电池的充放电，会因传感器的问题造成误差。开路电压法使用前提是工作电流为零，这一前提会造成SOC无法准确估测。

分析安时积分法、开路电压法两者的优势和弊端，总结出了一种新的方法，即将两种方法相结合，实现优缺点互补。新方法采用安时积分法对工作状态中的电池实时更新SOC值，在电池组不工作阶段或是每次启动电池系统时，用开路电压法对SOC校准消除电荷累积误差，解决安时积分法的初始SOC评估问题。在新算法的使用上，引入了参数电池额定容量百分比的计算，很大程度地提高了估测SOC的精度。

(4)

y=1×10-13x4-8×10-8x3+2×10-5x2-

1.63×10-2x+99.856

(5)

式中：y为电池额定容量百分比；x为循环充放电次数；SOCt为电池组在t时刻的荷电状态值；SOC0为电池组在初始时刻的荷电状态值；QN为未进行循环时电池组初始总容量；I为充放电电流；t为工作时间。

2 SOC估算的子程序设计

对剩余电量SOC进行估算。先计算出开路电压值，根据开路电压值查开路电压(open circuit voltage,OCV)-SOC二维表找出其对应的SOC的初始状态，利用安时积分法估算。SOC估算程序流程如图1所示。随着电动汽车运行时间的增加，外在因素相继对估算结果产生影响，致使估算结果出现偏差。因此，需要加入修正模块。

图1 SOC估算程序流程图

在修正时，同样根据开路电压查OCV-SOC二维表对应SOC估算结果，和内存中存储值作对比。舍去较大值后，把较小的数值看作修正值继续估算，可获取精确值。SOC修正程序流程如图2所示。

图2 SOC修正程序流程图

3 电流采集电路的设计

采集电池组电流使用的是基于分流器的电流监测方法。在动力锂电池组中，单体电池数量多，且工作电流相同，全部串联连接后，监测电流只需测量串联后的总电流。在监测电路中串联一个小阻值的康铜电阻，作为分流器，并根据其两端的压降值计算出电流值。电流监测电路如图3所示。

图3 电流监测电路

采用上述方法得到的康铜电阻的压降值非常小，无法进行A/D转换，需要对信号放大，但数值不能超过5 V。因此，需要添加一个信号放大电路。此外，在电路中还需接入一个5 V的稳压二极管，以防电路出现故障。电流采集电路如图4所示。

图4 电流采集电路

4 锂电池组SOC值的估测

锂电池组充放电循环衰减曲线如图5所示。

图5 充放电循环容量衰减曲线图

在电池放电时，放电次数大约100次，即x=100。将x=100代入式(5)中，得到的结果是98%，即电池组额定容量百分比是98%。本次试验电池额定容量是3 A，试验得到的电池组初始容量为2.94 A。在试验中对电流值进行测量，记录电流数据。将数据代入式(4)中进行运算，得到的电池组电压、SOC的数据曲线。SOC与电压关系曲线图如图6所示。

图6 SOC与电压关系曲线图

进而可以得到SOC和时间曲线如图7所示。

图7 SOC与时间关系曲线图

从图6中可以看出：在锂电池组刚开始放电时，电压下降的幅度较大，直线斜率很大，然后曲线趋于平坦；当SOC达到50%之后，电压下降趋势较平稳，曲线较光滑；当SOC降到10%后，电压下降趋势明显。此时，需要及时把电路切断，以免持续放电损坏电池，影响电池的寿命。

在图7中可以看出：SOC在100%到20%的区间内，时间持续很长；在20%到0的区间内时间很短，下降速率很快。

在测量电流时，实际测量值偏小，用安时积分法估算会产生累计误差。为此，需对A/D转换的电压值进行算数运算，使电流的测量值尽可能接近实际电流值。

在电池组额定容量约为4%(即将耗尽)时误差为最大，平均误差也仅为2%。因此，通过试验测试可以验证SOC估算算法的有效性，说明锂离子电池剩余电量SOC估算算法可以满足设计要求。

5 结束语

本文对纯电动汽车的锂离子电池组剩余电量的SOC估算算法进行了研究，在传统的安时积分法和开路电压法的基础上进行了创新，采用两者相结合的方法估算SOC。在电池工作电流为零时或是在电池短暂不工作状态，开路电压法修正安时积分法中的参数值，实现互补得到更准确的SOC值。在新的估算算法中，引入额定容量百分比作参照量，避免了锂离子电池的额定容量百分比随着电池充放电次数增多而下降的问题，很大程度上提高了估测SOC的精度。同时，设计了电流采集电路，通过试验测试验证了SOC的估算算法的有效性。