電動(dòng)汽車用鋰電池SOC估算方法研究

張 松

(南京師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023)

現(xiàn)在能源枯竭以及生態(tài)污染情況日益嚴(yán)峻，國際汽車領(lǐng)域?qū)@方面也投入了非常高的關(guān)注，因?yàn)槠嚂?huì)消耗大量能源，排放的尾氣會(huì)對(duì)生態(tài)造成較大侵害，所以被稱作汽車領(lǐng)域未來的電動(dòng)汽車(EV)變成了一個(gè)關(guān)鍵性的探討方向，逐漸在國際汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出自身積極的一面，很多國家以及合作方都對(duì)其表現(xiàn)出了濃厚的興趣，繼而促進(jìn)了EV的快速發(fā)展。

電池是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力，其運(yùn)轉(zhuǎn)是否優(yōu)良會(huì)對(duì)汽車的運(yùn)轉(zhuǎn)造成關(guān)鍵性的影響。這方面管控的關(guān)鍵是對(duì)電池組所有的相關(guān)系數(shù)以及電池電流等開展相應(yīng)的檢測，同時(shí)在這個(gè)條件下對(duì)電池開展相應(yīng)的估算，此外還需做一定的管控，保證電池能夠進(jìn)行更安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，延長其壽命，其中電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)需對(duì)電池自身的荷電狀態(tài)(SOC)開展精確性的估算。其能夠闡述電池在運(yùn)用進(jìn)程中，自身的充放電容量等關(guān)鍵性系數(shù)，只有精確估算電池的SOC，才可以高效提升純電動(dòng)汽車的市場占有率，確保電池獲得更長的運(yùn)用時(shí)間[1-2]。

目前各種電池組實(shí)時(shí)在線估算方法都存在缺陷[3-8]，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，無法滿足現(xiàn)實(shí)方面的具體需求，其重點(diǎn)和電池自身的SOC以及其他方面有關(guān)系，比如溫度以及極化效應(yīng)等，另外還表現(xiàn)出非常強(qiáng)的非線性特征，在進(jìn)行實(shí)際估算時(shí)困難較多。如需提升實(shí)際估算的準(zhǔn)確程度，需在檢測措施以及估算方法等層面開展更深入的探討。本文從鋰電池的特性出發(fā)，介紹幾種SOC估算方法，并對(duì)每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 SOC估算方法研究

1.1 電流積分

SOC的運(yùn)算方程是：

利用精確計(jì)算k－1到k時(shí)間的電流，也就是i(t)，就能夠運(yùn)算這段時(shí)刻內(nèi)的電流積分，另外還需通過充電效率，也就是η進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)聯(lián)系電池的初期狀況，就能獲得明確性的電池組SOC數(shù)據(jù)，該措施為現(xiàn)在僅有的能夠準(zhǔn)確運(yùn)算電池組SOC的措施，假如依照一個(gè)具體的放電倍率電流，讓電池進(jìn)行完全放電之后，來運(yùn)算放電進(jìn)程的電流積分，得到的就是電池的SOC。該措施一般是在實(shí)驗(yàn)室中來運(yùn)算電池組自身的充電成效，還能夠核驗(yàn)SOC方面的估算準(zhǔn)確度。

該方法的不足之處為需明確SOC的初期數(shù)據(jù)，另外還需精確運(yùn)算充放電過程中的效率，需通過穩(wěn)定電流來對(duì)電池開展充放電，還需讓電池完全放電，無法確保電池的初始狀況。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)運(yùn)用過程中，會(huì)受到溫度等因子的干擾，電池自身的充放電過程始終都在變化，利用累積性的電流積分以運(yùn)算相應(yīng)的偏差。假如不能進(jìn)行相應(yīng)的糾正，上述偏差就會(huì)不斷變大，最后對(duì)SOC的估算引起較大的干擾。

一方面為確保電池更安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，提升電池的使用時(shí)間，另一方面使用鋰電池的汽車無法使電池完全充放電，所以通常把電池的SOC管控在10%～80%內(nèi)，需通過另外的方法對(duì)電流積分運(yùn)算的SOC做相應(yīng)的優(yōu)化，清除其中的偏差干擾。

1.2 測量直流內(nèi)阻

圖1為電動(dòng)汽車用鋰電池的等效模型，模型中，電池外電壓是Uo，包含開路電壓Uocv以及直流電阻RΩ的壓降UR、極化阻抗ZP的電壓UP，另外Uocv和SOC有單一性的非線性關(guān)系。

圖1 電池等效模型

圖2為直流內(nèi)阻與SOC的關(guān)系曲線，電池在充放電過程中，可以看出在不同工作階段，電池內(nèi)阻變化范圍不一樣。在充放電初期 (SOC在0%～50%)，內(nèi)阻變化較大，充放電后期(SOC在50%～100%)，內(nèi)阻變化相對(duì)穩(wěn)定。由此能夠利用相應(yīng)的檢測結(jié)果來運(yùn)算電池的直流電阻，繼而運(yùn)算SOC。

圖2 直流內(nèi)阻與SOC的關(guān)系曲線

通過直流電阻運(yùn)算SOC有三個(gè)層面的缺陷：(1)電池自身的阻抗僅在SOC為50%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)大的變動(dòng)，如果SOC是在50%～80%內(nèi)，就無法利用直流電阻來運(yùn)算SOC；(2)鋰電池自身的直流電阻不大，大概是千分之一歐姆，在進(jìn)行精確檢測運(yùn)算時(shí)并不容易，所以利用直流電子進(jìn)行直接運(yùn)算會(huì)出現(xiàn)很大的偏差；(3)即便在相同的SOC中，電池自身的直流阻抗會(huì)受到多方面因子的干擾，例如溫度以及電池使用時(shí)間等，所以同一SOC或許會(huì)有多種相關(guān)數(shù)據(jù)，也可能在相同阻抗數(shù)據(jù)中有多種SOC，無法進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)照。圖3是SOC為50%時(shí)利用多種電流檢測得到的阻抗，當(dāng)電流逐漸減小時(shí)，阻抗逐漸減小。

另外，電池的阻抗不但會(huì)遭到自身化學(xué)屬性的影響，另外極板構(gòu)架等也會(huì)對(duì)阻抗造成影響，此外電池的加工也有非常關(guān)鍵的影響，具備相同制造流程相異批次電池間的阻抗和SOC的關(guān)系也有差異。

圖3 直流內(nèi)阻-電流曲線

所以，單一利用檢測直流阻抗來運(yùn)算SOC無法獲得相對(duì)精確的數(shù)據(jù)，另外在電池管控體系中也無法進(jìn)行相應(yīng)的使用。

1.3 開路電壓法

利用SOC-OCV的關(guān)系，在測量電池組的開路電壓之后，計(jì)算SOC，由于鋰電池的極化電壓并不大，在穩(wěn)定之后，該電壓幾乎為零，所以電池自身的充電和放電情況基本一致。該方法可以削弱充放電估算不精確所引發(fā)的干擾，然而在純電動(dòng)汽車的實(shí)時(shí)檢測方面依然有下述缺陷：該方法對(duì)SOC-OCV關(guān)系有很高的需求，即便SOC-OCV有相應(yīng)關(guān)系，也是單調(diào)的線性關(guān)系，卻會(huì)受到其他因素的影響；在SOC為20%～70%時(shí)，OCV是在電壓平臺(tái)之上，變動(dòng)不大，利用檢測OCV無法精確獲得SOC，因此運(yùn)算會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

因?yàn)殚_路電壓法的基礎(chǔ)性原理是把電池進(jìn)行靜置，靜置通常需要超過2 h，所以該方法無法在純電動(dòng)的實(shí)時(shí)測量方面進(jìn)行運(yùn)用，只能對(duì)SOC進(jìn)行估算，偏差較大時(shí)需通過另外的方法進(jìn)行優(yōu)化。所以在實(shí)際運(yùn)用中，如果管控體系檢查到電池靜止超過12 h，就會(huì)檢驗(yàn)電壓是不是處在平臺(tái)上，假如電壓處在平臺(tái)的首尾處，同時(shí)SOC偏差出現(xiàn)較大變動(dòng)，需依照端電壓作相應(yīng)的優(yōu)化處理，規(guī)避出現(xiàn)更大的偏差，以免對(duì)SOC運(yùn)算造成更大的干擾。

1.4 零負(fù)載電壓

上述方法利用組建電池模型以及對(duì)開路電壓進(jìn)行檢測，在電池充放電過程中，檢測電池的端電壓以及電流，對(duì)開路電壓進(jìn)行運(yùn)算，繼而獲得SOC，圖4是電池零負(fù)載時(shí)的電壓模型。

圖4 電池零負(fù)載電壓模型

利用組建電池模型能夠在有電流通過狀況下對(duì)零負(fù)載時(shí)的電壓進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)認(rèn)定該電壓就為開路電壓。該方法能規(guī)避開路電壓法無法進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的問題，然而依然有不足：需得到準(zhǔn)確的SOC-OCV曲線；需組建準(zhǔn)確的電池模型；需準(zhǔn)確運(yùn)算電池模型中的所有阻抗，上述系數(shù)會(huì)受到溫度以及電流等方面的干擾，所以無法進(jìn)行準(zhǔn)確運(yùn)算，但是上述系數(shù)即便出現(xiàn)較小變動(dòng)都會(huì)嚴(yán)重干擾SOC的運(yùn)算，繼而對(duì)SOC的估算準(zhǔn)確度造成干擾。

1.5 檢測電池電解液的相應(yīng)品質(zhì)

利用檢測電池電解液的相應(yīng)品質(zhì)來運(yùn)算SOC數(shù)據(jù)，這種方法能夠在鉛酸電池上進(jìn)行很好地運(yùn)用，在原理層面能夠準(zhǔn)確檢測SOC數(shù)據(jù)。然而純電動(dòng)汽車一般運(yùn)用的是鋰電池，構(gòu)架是不開放的，如今還未有相應(yīng)的方法可以對(duì)這類電池電解液的品質(zhì)進(jìn)行檢測，因此無法進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)用。

1.6 電化學(xué)解析措施

利用解析電池自身構(gòu)架、組成以及相應(yīng)的反應(yīng)，由原理層面來運(yùn)算SOC-OCV方程。該方法可以規(guī)避開路電壓法的不足，可以相應(yīng)提升SOC-OCV的運(yùn)算實(shí)力，然而卻有兩個(gè)層面的缺陷需要解決：(1)極板外形以及制造流程等方面的差異均會(huì)干擾SOC-OCV方程，但它們均是電池制造方面的關(guān)鍵技術(shù)，涉及到一定的商業(yè)秘密，所以無法搜集相應(yīng)的信息來開展解析；(2)因?yàn)闃O板的制造流程等有較多的處理模式，相同類別相異批次的電池開路電壓和SOC間的關(guān)系會(huì)出現(xiàn)差異，所以不能組建準(zhǔn)確的方程，僅可以使用經(jīng)驗(yàn)類的方程，對(duì)多種狀況中的偏差進(jìn)行檢測。

2 電動(dòng)汽車對(duì)SOC估算算法的要求

因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車將電力當(dāng)作唯一動(dòng)力，需實(shí)時(shí)調(diào)控電池組的充放電過程，所以對(duì)SOC的估算有更高的需求：

(1)需進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。純電動(dòng)汽車依照汽車的實(shí)際狀況對(duì)SOC進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，所以需實(shí)時(shí)給予相應(yīng)的SOC信息。由于開路電壓法以及內(nèi)阻法等無法對(duì)SOC進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，所以無法在這類汽車上進(jìn)行運(yùn)用，但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法運(yùn)算量非常大，目前依然處在模擬時(shí)期，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)性的估算。

(2)能夠修正累積偏差。純電動(dòng)汽車在運(yùn)用電池的進(jìn)程中，無法讓電池進(jìn)行充分的充放電，然而依然可以使電池充放至平臺(tái)以下，能夠在首尾處做相應(yīng)修正。另外，在充電過程中能夠?qū)ο鄳?yīng)的電流進(jìn)行管控，在離線狀態(tài)下對(duì)電池曲線進(jìn)行檢測，利用查表形式對(duì)其做相應(yīng)的修正。

(3)如果是長期靜置之后，可以依照電池的OCV對(duì)SOC做相應(yīng)的估測，如果首尾處偏差很大，就可以及時(shí)對(duì)其開展修正。

3 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有的定義，主要研究了鋰離子電池管理系統(tǒng)中SOC的估算方法，從電池的特性出發(fā)，闡述了鋰離子電池管理系統(tǒng)對(duì)于鋰電池的重要性以及對(duì)該系統(tǒng)研究的必要性。介紹了目前的多個(gè)估算方法，同時(shí)依照鋰電池的特點(diǎn)，對(duì)估算方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了解析，為電動(dòng)汽車用鋰電池的SOC估算的高準(zhǔn)確度提供了科學(xué)依據(jù)。

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