蓄電池SOC的研究及預測方法

魏東濤，黃之杰，孔 華，吳瀟潔，劉 杰

(1.空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000；2.山東鄆城第一初級中學，山東菏澤274700)

蓄電池SOC的研究及預測方法

魏東濤1，黃之杰1，孔 華1，吳瀟潔1，劉 杰2

(1.空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000；2.山東鄆城第一初級中學，山東菏澤274700)

通過電池荷電狀態(SOC)的定義，分析了影響SOC的諸多因素，對比了不同的估算方法，為建立有效的蓄電池智能管理系統打下堅實基礎，有利于提高蓄電池使用效率，具有較大的現實意義。

蓄電池；荷電狀態；影響因素

提高蓄電池的使用壽命，除了改進生產技術，使用管理也是一個很重要的環節。實現蓄電池實時智能化管理，首先要正確判斷蓄電池的荷電狀態(State of Charge，SOC)，如果能夠正確計算、預測蓄電池的剩余容量，就能夠實現蓄電池智能管理系統的各項功能，避免蓄電池的使用不當，減少對蓄電池造成損害，可以延長蓄電池組使用壽命，降低維護費用。

1 SOC的定義和功能

為了準確而科學地表征蓄電池的剩余容量，通常用荷電狀態來表征蓄電池的剩余容量，它是表征蓄電池的剩余容量狀態的重要參數。SOC不能直接從蓄電池本身獲得，只能通過測量蓄電池組的外特性參數(如電流、內阻、電壓、溫度、老化程度等)間接獲得。

1.1 SOC定義

蓄電池的SOC可以從電量和能量兩個角度來加以定義。從電量的角度出發將其定義為：蓄電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。如果將蓄電池滿充狀態定義為SOC=1，那么其定義可表達如下：

或：

從能量角度出發的定義為：

同樣的，如果將蓄電池滿充狀態定義為SOC=1，那么其定義式可表示如下：

在實際的SOC估算應用中，尤其是電動汽車和混合動力系統中，蓄電池的SOC估算定義式比式(1)～式(4)復雜，因為在SOC估算過程中，要充分考慮電流、電壓、自恢復性、溫度、充放電倍率、循環次數、老化程度等對蓄電池SOC值有較大影響的因素。

韓國起亞汽車公司將SOC定義為：

本田公司將SOC定義為：

式中：剩余電量=額定電量-凈放電量-自放電量-溫度補償電量。

以上SOC定義從不同角度對蓄電池的剩余容量進行了定義，其核心是對蓄電池在某一時間點處的性能、技術狀態的描述。

1.2 SOC功能

對蓄電池剩余容量的準確估計已成為蓄電池智能管理系統的中心問題。

(1)蓄電池智能管理系統設計的優劣在很大程度上制約著系統的整體性能，一個較好的蓄電池管理系統，能夠使蓄電池與負載相匹配，使負載以最高效率工作，同時又能控制蓄電池、電容的使用量最小。而蓄電池智能管理系統的核心部分是蓄電池SOC的準確估算[1]。SOC估算準確與否，將直接影響到蓄電池管理系統的決策和控制，進而影響蓄電池性能的正常發揮。

(2)SOC的準確估算能夠延長蓄電池的使用壽命。如果用電壓來判斷蓄電池充放電狀態，不僅存在較大誤差，甚至在某些場合下會出現誤判。以SOC作為蓄電池充放電判斷的標準，充電時，SOC估算準確，可以防止蓄電池過充電，在放電時，準確的SOC估算值能夠真實表征蓄電池的電量儲備[2]，從而可以防止蓄電池過放電，即在充放電過程中，SOC的準確估算對蓄電池具有較好的保護作用，可以延長蓄電池的使用壽命。

(3)SOC是蓄電池智能管理系統中能量分配的重要依據之一。智能管理系統要根據蓄電池的SOC、負載功率需求等來采取相應控制策略進行能量的合理分配。如果SOC估算不準確，將會導致能量管理系統失調，使得蓄電池在大功率工況之前沒有足夠的儲備，或者在蓄電池和電容有足夠電量儲備的情況下，管理系統卻向負載發出連續運轉的指令，從而造成功率浪費。

2 SOC影響因素

影響蓄電池SOC的因素很多，蓄電池的內部參數如電動勢、內阻、電容等，在充放電過程中變化幅度較大，對蓄電池的內部模型辨識、確定蓄電池的剩余容量以及確定充放電的上下限比較困難[3]；此外，在蓄電池停止工作過程后，內部的容量會有一定程度的恢復，只有正確掌握蓄電池這種特性，才能準確估算出剩余電量。蓄電池對溫度的變化異常敏感，如何調節蓄電池的內部以及周邊溫度也是一個很難處理的問題。以鉛酸蓄電池為例，可以將SOC的影響因素大致分為運行因素、自身因素、溫度因素等方面。

2.1 運行因素的影響

影響鉛酸蓄電池剩余容量的運行因素有：放電電流、充放電截止電壓、充放電循環次數等。

放電電流的影響：放電電流的大小直接影響到鉛酸蓄電池的放電容量，在額定放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池所能放出的電量越小，長期對蓄電池進行大電流放電，將導致蓄電池實際容量減少。

充放電截止電壓的影響：充放電的截止電壓也是影響鉛酸蓄電池容量的重要因素之一。在超過放電截止電壓而放電時，其端電壓急劇下降，并易使極板上生成粗晶粒的硫酸鉛(硫化)，會使蓄電池容量降低，影響其使用壽命。超過放電截止電壓放電的情況稱為過放，要盡量禁止這種情況在蓄電池的使用過程中發生。同理，過充電所產生的大量氣泡會對極板微孔造成壓力，使極板活性物質容易脫落；電解液因析氣而水分減少，其密度增大，液面下降，使得蓄電池的電解液密度過高，極板因液面過低而外露氧化，這均使極板容易硫化，容量減小，使用壽命縮短。

循環充放電次數的影響：蓄電池經歷一次充電和放電過程稱為一次循環或周期。在一定放電條件下蓄電池工作至某一規定容量值之前，蓄電池所能承受的循環次數稱為循環壽命。對于鉛酸蓄電池而言，隨著蓄電池充放電循環次數的增多，蓄電池的容量也會發生變化。

2.2 自身因素的影響

影響鉛酸蓄電池剩余容量的自身因素有：自放電、單體蓄電池之間容量的不均衡性、蓄電池本身的質量及結構因素等[4]。

自放電的影響：蓄電池在非運行放置期間，造成蓄電池容量損失，這種現象稱為自放電。自放電率是指蓄電池在存放時間內，在沒有負荷的條件下自身放電，導致蓄電池容量損失的速度。自放電率用單位時間內蓄電池容量下降的百分數來表示：

單體蓄電池容量的不均衡性影響：由于蓄電池組是由若干個單體蓄電池組成，各單體蓄電池容量大致相同，但是不能排除個別單體蓄電池的容量偏小或偏大的情況，這樣在蓄電池充放電過程中會出現少數蓄電池過充、過放或欠充、欠放的情況，長此以往，會使整個蓄電池組的容量下降，縮短蓄電池組的使用壽命。

蓄電池本身的質量及結構因素的影響：極板的厚度、極板的面積、板柵合金的選擇、蓄電池的裝配技術都會對蓄電池的性能有重要影響。極板越薄，活性物質的多孔性越好，則電解液滲透越容易，活性物質的利用率越高，輸出容量也就越大。極板面積越大，則同時參加反應的活性物質就越多，輸出容量也就越大。

2.3 溫度因素的影響

影響蓄電池剩余容量的環境因素主要有：環境溫度、電解液溫度。

環境溫度的影響：蓄電池在一定的溫度之間可獲得最佳的電流放電特性，例如鉛酸蓄電池的適用溫度為20～40℃。在環境溫度過低或過高而導致蓄電池溫度降低的情況下，就需要通過溫度管理來改變蓄電池的環境溫度，從而使蓄電池在一定的溫度下獲得最好的充放電特性，容量最大化。

電解液溫度的影響：溫度升高時，硫酸電解液粘度降低，擴散速度增大，電阻值降低，滲透能力增強，在放電至終止電壓之前，極板深層的活性物質可以比較充分地參加電化學反應，因此鉛酸蓄電池的活性物質的利用率高，使得蓄電池的容量升高。與此相反，當電解液溫度降低時，電解液粘度增大，擴散速度減慢，電阻增大，離子的運動受到較大的阻力，電化學反應速度大為減慢，所以蓄電池的容量低。特別是在-50℃時電解液的粘度約為常溫時粘度的30倍，因而電阻隨溫度的降低而明顯增加。由上面的分析可以看出：電解液溫度的升高有利于蓄電池放出更大的電量，但是電解液的溫度不能太高，當溫度超過一定的界限時，容易造成正極板彎曲并減少負極板的容量，同時也會增加鉛酸蓄電池的自放電，從而影響蓄電池的SOC。因此，在溫度允許的范圍內，同一蓄電池溫度高，蓄電池所能放出的電量就大，其SOC就大；反之，溫度低，蓄電池所能放出的電量就小，SOC也就小。

3 SOC預測方法

目前對蓄電池剩余容量的估計還沒有一個標準算法。根據當前蓄電池剩余容量預測的技術現狀，SOC估算策略主要有：放電實驗法、Ah計量法、開路電壓法、內阻法、負載電壓法、線性模型法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法、動態逼近法等，不同的估算方法各有優缺點、適用場合不同，具體見表1。

表1 幾種主要的SOC估算方法對比分析

從表1的分析可知，對于恒定小電流或者電流緩變的情況，除開路電壓法、負載電壓法、放電實驗法，其他各估算方法都具有很好的適應性，同時其估算的精度也滿足要求；對于大電流或者電流波動劇烈的場合，卡爾曼濾波法和神經網絡法具有較好的適應性，其余估算方法均出現了不同程度的不適應性。卡爾曼濾波法和神經網絡法雖然能夠適應該場合，但是由于能力要求高，其實現具有較高難度，這些缺點使得這兩種方法在實際應用中受到限制。

4 結語

蓄電池在各行業的應用越來越廣，要達到實時預測蓄電池的SOC，必須選擇合適的估算方法，為蓄電池實時監測系統提供可靠預測數據，最大限度的提高蓄電池的利用率。由于蓄電池種類、結構、工作環境差異較大，建立精確、簡單的數學模型及適用的估算方法，及時、準確地預測蓄電池的狀態參數，避免一些突發性的事故，仍是急需解決的問題。

[1]林成濤.用改進的安時計量法估計電動汽車動力電池[J].清華大學學報，2006，46(2):247-251.

[2]齊智.利用神經網絡預測電池SOC的研究[J].電源技術，2005，29 (5):325-328.

[3]劉倩.基于神經網絡的電池容量預測[J].武漢理工大學學報，2006，28(3):28-31.

[4]斐鋒.電動汽車動力電池變流放電特性與荷電狀態實時估計[J].中國電機工程學報，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

魏東濤(1985—)，男，甘肅省人，碩士，主要研究方向為裝備技術。