基于改进安时积分法的动力电池SOC估算

2021-06-25龙宇舟崔兆蕾

客车技术与研究 2021年3期

汪伟，黄河，龙宇舟，王全，崔兆蕾，张天

(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007； 2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000)

电动汽车电池管理系统(BMS)是电动汽车的关键系统之一，其中SOC的估算又是电池管理系统的核心技术之一。SOC作为BMS的核心参数，其值估算不准确问题一直限制动力电池的性能发挥，还会产生电池过放和过充故障，使电池安全性能得不到保障，甚至威胁人身及财产安全。另外，也会使电池的寿命明显缩短。SOC估算技术也一直是BMS研究的重点和难点[1-4]。

针对SOC估算问题，国内外的学者提出了多种SOC估算方法：传统的安时积分法存在无法确定SOC初始值和累计误差问题[5-7]；开路电压法无法实现SOC的实时计算[8-10]，而且随着电池的使用，存在OCV-SOC曲线对应SOC值不准确问题；卡尔曼滤波法和神经网络法对硬件运算能力要求较高，在车辆实际运营中可应用性差[11]。

本文提出一种结合开路电压法和安时积分法的SOC估算方法，对于安时积分法无法获取初始值问题，采用开路电压法来确定SOC的初始值；对于开路电压法无法对SOC进行实时估算问题，采用安时积分法对SOC值进行实时估算。考虑安时法剩余容量受不同因素影响而变化问题，利用环境温度、循环次数与容量之间的关系曲线来时刻更新安时积分法中的容量。通过仿真分析表明，改进后的安时积分法，能有效提高SOC的估算精度。

1 初始值SOC0获取

安时积分法的计算依赖于初始状态下的SOC0值，SOC0确定之后，通过对充电或放电区间的电流进行积分获得电池当前状态的SOC值。安时积分的SOC值计算公式如下：

(1)

式中：CN为动力电池的额定容量；η是电池的充放电效率；I是电池的充放电电流，其中I充电为负，放电为正。

安时积分法存在以下缺点：安时积分法依赖于SOC0，只有保证精确的SOC0才能得到精确的SOC值。如果SOC0存在偏差，SOC值误差将会累积，误差将会变大，从而估算精度较低。

图1是相同放电电流、不同SOC0下的SOC放电曲线，图2是相同充电电流、不同SOC0下的SOC充电曲线。从图1可以看出，SOC0值不同电池放电区间SOC曲线差异比较大，并且在不同SOC0值下的放电区间SOC曲线平行，说明SOC0对放电SOC值影响较大。从图2可以看出，不同SOC0值下的充电区间SOC曲线也保持平行状态，且差异较大。因此，要提高SOC的估算精度，就要提高SOC0的精度。

图1 不同SOC0下SOC放电曲线

图2 不同SOC0下SOC充电曲线

改进安时积分法通过开路电压(OCV)法确定SOC0以提高其精度。电池充放电结束静置一段时间后，电池内部的化学反应已趋于稳定，此时电池的电压也趋于稳定，通过电池的OCV-SOC曲线可得到对应的SOC值，从而为安时积分法提供较为准确的SOC0。根据所用电芯OCV-SOC曲线和现场调试得知，当SOC值低于30%时，单体电压随SOC变化较大，且基本上线性变化；当SOC高于30%时，单体电压随SOC变化较为平缓。所以，OCV-SOC曲线变化趋势主要分为两段，即线性阶段(SOC≤30%区域)和较平滑阶段(SOC>30%区域)。因此，改进安时积分法的SOC0获取方法如下：

1) 当电池SOC处于OCV-SOC曲线的线性阶段时，通过OCV-SOC曲线查找此电压对应的SOC值作为SOC0。

2) 当电池SOC处于OCV-SOC曲线的较平滑阶段时，电池的单体电压变化较为稳定，此时将上次驻车SOC值作为SOC0。通过实验观察确定电池充放电结束后，电池电压稳定需要的静置时间为t0，t0一般在30 min以上。

2 SOC估算及仿真分析

2.1 改进安时积分法

SOC的安时积分计算方法与电池额定容量CN相关，实际应用中，环境温度对电池额定容量的影响较大。在不同环境温度下对电池进行额定容量测试，其关系曲线如图3所示。

图3 电池额定容量与温度关系

通过实验得知，在不同环境温度下，额定容量的极差达到5.5 Ah左右，使得SOC的估算误差接近10%。所以在估算SOC时，必须考虑温度参数。在进行安时积分计算时，需每隔一段时间进行一次温度采样，与上一次采集的温度进行比较，判断温度差值是否超过界定值(一般为10 ℃)。若超过，则通过图3所示的温度与容量之间的关系曲线进行容量修正；若没有超过，则不需要修正。

除考虑温度对电池额定容量的影响外，电池SOC估算还需要考虑电池老化的影响。电池额定容量随着使用循环次数的增加而衰减，如图4所示。

图4 电池额定容量与循环次数关系

由于电池循环次数达到一定数值后才会对电池额定容量产生影响，所以当循环次数超过一定数值时才进行容量修正。电池进行一次充放电视为进行一次循环，循环次数通过BMS主控模块实时存储获得。

综上，改进安时积分法的SOC计算公式为

(2)

式中：k1、k2分别是温度和循环次数对电池额定容量的影响系数。

2.2 仿真分析及验证

根据改进安时积分法的数学模型式(2)在Matlab中搭建Simulink仿真模型进行验证，得到曲线对比如图5所示。由仿真结果可以看出，改进安时积分法的SOC估算值更接近于实际SOC值，且随着运行时间的推移，传统安时积分法比改进安时积分法的估算误差会更大。因此，采用改进的安时积分法有利于减少SOC计算误差，能够得到更加精确的SOC估算值。