鋰電池SOC估算方法的研究

王波(中煤科工集團重慶研究院，重慶400050)

鋰電池SOC估算方法的研究

王波
(中煤科工集團重慶研究院，重慶400050)

安時積分法是電池管理系統比較常用的一種方法，但是電池受初始荷電狀態(SOC)、使用環境溫度、充放電循環次數等影響較大。通過實驗方法確定各種因素對電池SOC的影響，建立影響電池SOC的數學模型；經過與實際的充放電數據比較得到實際SOC誤差低于5％，滿足煤礦井下對大容量鋰電池管理系統SOC估算的要求。

鋰電池；電池管理系統；SOC估算方法

國家對煤礦井下移動式救生艙和避難硐室建設非常重視，要求建設數量大。作為其必備的配套設施，大容量應急后備電源會有很大的市場需求。研究一種適合煤礦井下移動式救生艙和避難硐室用的大容量應急后備電源，具有很大的社會效益和經濟效益。

如何使電源長時間待機，關鍵時刻發揮功效呢？這要求電池管理系統(BMS)不僅能準確監測電池組的電池單體的信息，而且還要能夠實時反應電池組的剩余電量[1]，因此估算電池組的荷電狀態(SOC)極其重要。

1 鋰電池SOC估算方法

電池的SOC值是電池管理系統控制策略的重要參數，實時了解電池能量的關鍵指標。目前常用的安時積分法估算電池SOC的算法公式[2]為：

式中：SOC0為初始荷電狀態；C為電池可用容量；η為充放電效率；I在放電時為正，在充電時為負。SOC0通過開路電壓法得到，充放電效率η為電池廠家提供數據，電流I通過電流傳感器檢測得到；電池可用容量C取電池的額定容量。

但是電池的可用容量是變化的，其受環境溫度、充放電循環次數等因素影響，不能簡單利用額定容量來代替。其電池可用容量表示為：

式中：CA為電池的額定容量；CT為容量受溫度影響的修正值；CN為容量受循環充放電次數影響的修正值。

2 鋰電池SOC估算方法的修正研究

本文采用電池SOC估算方法是初始階段使用開路電壓法，然后用安時法和修正容量相結合的方法。本文的算法公式為：

2.1電池的SOC與電池電壓的關系

首先對60 Ah電池組以0.1C電流進行充電實驗，獲取電池的SOC與單體電池電壓 (以下都以電池組平均電壓作為研究對象)間的關系曲線，如圖1所示。

電池實際可以在線測量到的電壓是電池兩個極柱上的外電壓(UO)。電池的外電壓等于電池的開路電壓(OCV)加上電池的歐姆壓降(UR)以及電池的極化電壓[3](UP)。當電池充放電電流為0并且靜置足夠長的時間之后,電池的UR和UP都為0，那么電池的開路電壓OCV就等于電池的端電壓UO。但是根據電池電壓-SOC曲線也不能準確修正LiFePO4電池SOC。LiFePO4電池的OCV曲線比較平坦，特別是SOC為10％～90％區間。

因此單純用開路電壓法對其SOC進行估算比較困難，只能作為BMS開機時SOC0的估算。

圖1　電池SOC與電池電壓的關系曲線

2.2SOC0對電池SOC預測誤差的影響

通過對電池SOC算法的分析可知，電池初始荷電狀態SOC0的確定對SOC的估算有直接影響，下面討論電池SOC0與電池SOC的關系。

(1)實驗方法

首先對電池組進行0.1C恒流放電，模擬電源在負載情況下的工作情況。電池在不同的SOC0估算情況下得到的電池SOC關系曲線如圖2所示。

圖2　電池在不同初始SOC0下的SOC曲線

(2)實驗分析

不同SOC0下電池的SOC估算值相差較遠，且不同SOC0下的SOC曲線趨于平行，這說明SOC0對于電池SOC估算誤差的影響十分顯著，同時其他影響SOC的因素在整個放電區間內保持穩定。

(3)實驗結果

由圖1可以看出，鋰電池的OCV-SOC曲線在各段的線性度較好，可以將電池的開路電壓分成N個階段來判斷電池SOC0值，其中N越大SOC0判斷更加準確。如果以12個階段為例，將圖1按照這種方式，電壓可分為12個階段，得到表1。當系統開機，管理系統需要重新計算SOC0時，只需檢測電池開路電壓，然后查表1就能得到當前SOC0。

2.3環境溫度與電池SOC的關系

電池的總容量和很多因素有關，其中比較重要的有以下3個：環境溫度，電池的循環次數(或認為是電池的SOH)，電池的平均放電電流[4]。

(1)實驗方法

在室溫條件下，將電池組以0.1C恒流充電60 Ah停止充電，靜置1 h后，再將電池組放進高低溫箱，設定工作溫度60℃，進行放電，記錄數據；取出電池組以上述方法再將電池組充電。按照上述方法重復將同一電池組分別置于-40、-20、0、20、40℃的工作溫度下進行放電實驗，得到電池SOC與環境溫度的關系，如圖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

圖3　　電池的總容量與環境溫度的關系

(2)實驗分析

低溫下電池容量衰減得極快，容量隨著溫度升高而增長，其速率相對低溫下較慢。－40℃時，電池的容量僅為標稱值的1/3，而在0～40℃，電池的容量從標稱容量的82％升至接近99％。所以磷酸鐵鋰電池最佳工作溫度區間為0～40℃。在BMS中檢測電池工作溫度，計算SOC時，必須修正電池的總容量，保證SOC估算的精確度。

(3)實驗結果

將電池隨環境溫度分N個階段來判斷電池容量修正值CT，N越大則CT判斷更加準確，將溫度分為7個階段，得到表2。

2.4電池循環次數與電池容量的關系

???????????????????? ?? 　????/? 　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

電池的老化主要考慮電池的容量衰退和電池內阻的增加，電池老化后的SOC的修正對于完善BMS的管理和延長成組電池的壽命具有重要意義。

(1)實驗方法

在室溫環境下，將同一組電池以0.1C恒流充電至60 Ah，靜置1 h后再對該電池組以0.1C恒流放電至放電結束，記錄放電安時數。重復上述步驟200次，整理、計算上述數據得到充放電循環次數與電池容量的關系曲線，如圖4所示。

圖4　充放電循環次數與電池容量的關系

(2)實驗分析

由于電池反應的是電池內部電化學的特性，通常規定電池容量低于額定容量的80％則認為電池壽命終止。200次循環后，被測試電池的容量保持能力有所下降，電流接受能力降低，極化電壓增大，壽命下降。由于完成一次充放電時間較長，目前只進行了200次充放電循環實驗，但是容量隨著電池充放電循環次數增加而減少的趨勢比較明顯。循環200次后容量衰減到額定容量的95％。

(3)實驗結果

根據容量隨著電池充放電循環次數的增加而減少的趨勢，必須對容量進行修正，容量修正公式為：

將記錄的數據按照修正值計算公式進行計算，得到表3，BMS記錄充放電循環次數，當循環次數增加至表3所示的次數時修正CN。

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

2.5電池SOC估算算法檢測誤差

針對上述實驗結論數據，分析各個因素對電池SOC的影響，得到電池SOC的估算方法如式(3)所示。將該算法加入BMS。以下是對采用該算法的電池SOC檢測誤差的驗證實驗。

(1)實驗方法

在室溫環境下，將同一組電池以0.1C充電至60 Ah停止充電，靜置1 h后，再以0.1C放電60 Ah結束，最后將BMS數據與外接檢測設備數據作對比分析，如圖5所示。

圖5　電池SOC檢測誤差

(2)實驗分析

電池SOC檢測誤差=(真實值－檢測值)/額定容量100％，通過對整個充放電過程數據的分析，取檢測值與真實值差異比較大的時刻，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)實驗結果

電池SOC檢測值總是低于真實值，最大誤差通常出現在充放電循環的開始和結束處，且電池SOC檢測誤差＆lt;5％。

3 結論

該算法實用性較強、易于嵌入式編程實現，且實驗驗證電池SOC檢測誤差滿足煤礦井下大容量鋰電池管理系統的標準要求，目前已應用在松藻、云家嶺等地煤礦避難硐室后備電源電池管理系統之中，后備電源實際運行狀況良好。

[1]闕子揚，崔剛，劉宏偉，等.汽車動力電源的電池管理系統[J].計算機技術與發展，2006，30(2)：111-113.

[2]黃文華，韓曉東，陳全世，等.電動汽車SOC估計算法與管理系統的研究[J].汽車工程，2007，29(3)：198-202.

[3]麻友良，陳全世，齊古寧.電動汽車用電池SOC定義與檢測方法[J].清華大學學報，2001(11)：95-97.

[4]王建群，陳鐵.車輛電控系統中嵌入式數據采集技術[J].北京理工大學學報，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，工程師，主要研究方向為礦用鋰電池電源、電子儀器儀表。