鋰電池荷電狀態(tài)在線估計(jì)優(yōu)化方法

劉志豪

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)為電池當(dāng)前剩余容量與電池實(shí)際可用容量的比值，其作為電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的主要參數(shù)，可防止電池過(guò)充過(guò)放，從而延長(zhǎng)電池的壽命，保證動(dòng)力電池組的續(xù)航里程，其精確估計(jì)是電池管理系統(tǒng)主要功能得以實(shí)現(xiàn)的前提。目前SOC估算方法主要有開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波估計(jì)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、安時(shí)積分法、滑模觀測(cè)法等[1-2]。

1 估算方法比較

在SOC的估算方法中，開(kāi)路電壓法最常用，但針對(duì)不同類型的電池，SOC和開(kāi)路電壓的特性關(guān)系不同，為了估算SOC，需要準(zhǔn)確測(cè)量電池的開(kāi)路電壓，電池需要被靜置很長(zhǎng)一段時(shí)間才能被準(zhǔn)確測(cè)量，無(wú)法滿足SOC在線估計(jì)的要求[3]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC估算法需要建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將SOC精度提高到5%以內(nèi)。準(zhǔn)確度高,但無(wú)法實(shí)時(shí)在線估計(jì)SOC[4]。

利用卡爾曼濾波器估計(jì)電池的SOC，需要對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行模型搭建，然后結(jié)合電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提高SOC的估算精度和精確度，但該方法需要大量數(shù)據(jù)對(duì)電池模型進(jìn)行建模,并且不同電池需要不同的模型來(lái)支撐，時(shí)間和資金投入巨大，使得該方法具有很好的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，但在實(shí)際工程中應(yīng)用不多[5]。

采用安時(shí)積分法估計(jì)電池SOC，該方法原理簡(jiǎn)單,硬件價(jià)格低，具有較高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的安時(shí)積分法準(zhǔn)確性依賴于初始SOC值的估計(jì)精度，且在電流時(shí)間積分過(guò)程中，隨著電池不斷使用，也會(huì)存在累計(jì)誤差，整體SOC估計(jì)精度會(huì)隨時(shí)間而逐漸下降，出現(xiàn)SOC估算誤差逐漸積累、精度不斷下降等問(wèn)題[6]。

2 修正安時(shí)積分法

采用傳統(tǒng)安時(shí)積分法估計(jì)礦用鋰離子電池SOC時(shí)，結(jié)果容易出現(xiàn)累計(jì)誤差，錯(cuò)誤的SOC會(huì)導(dǎo)致BMS對(duì)電池過(guò)充過(guò)放，影響電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行，大大縮短電池電芯的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起發(fā)熱爆炸。在電池充放電過(guò)程中，需要不斷對(duì)電池SOC進(jìn)行估計(jì)和實(shí)時(shí)校正，以保證電池的安全可靠運(yùn)行。

由于有色工礦使用的儲(chǔ)能電池運(yùn)行環(huán)境的特殊性：(1)電池長(zhǎng)時(shí)間放置對(duì)SOC估算造成的誤差；(2)環(huán)境溫度、電池循環(huán)次數(shù)對(duì)SOC的影響；(3)電池老化程度、放電倍率對(duì)SOC的影響。

通過(guò)對(duì)鋰離子電池特性進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)可知：電池循環(huán)次數(shù)、放電電流和環(huán)境溫度都會(huì)在不同程度上影響電池容量，電池SOC估計(jì)精度受到電池初始SOC、溫度、老化程度、充放電倍率等主要因素的影響，所以將溫度校正、老化程度校正、充放電倍率校正引入到對(duì)電池的SOC估計(jì)過(guò)程中，優(yōu)化整個(gè)估算過(guò)程，提高估算精度。

改進(jìn)的電池SOC估算表達(dá)式為：

(1)

式中SOC—電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)值；

SOC0—查表得到的電池初始荷電狀態(tài)值；

CN—電池的理論額定容量，kW·h；

i—即時(shí)電池電流，充電時(shí)為負(fù)，放電時(shí)為正，A。

2.1 初始計(jì)算單元估算優(yōu)化

進(jìn)行電池初始SOC估計(jì)時(shí)，首先需要通過(guò)開(kāi)路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)法確定電池初始SOC0，電池SOC與OCV存在對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，可根據(jù)OCV可通過(guò)查表方式確定電池初始荷電狀態(tài)值。

SOC0為初始時(shí)刻電池的荷電狀態(tài)，定義為剩余電量與電池總?cè)萘康谋戎担ㄟ^(guò)電池特性實(shí)驗(yàn)表明，電池循環(huán)次數(shù)和環(huán)境溫度會(huì)影響當(dāng)前的電池容量值，其中循環(huán)次數(shù)與電池的剩余壽命有關(guān)，相同條件下，電池剩余壽命與電池容量成正比。

電池容量受溫度影響也很大，電池的整體活性和化學(xué)反應(yīng)均與溫度有關(guān)。所以需增加修正系數(shù)α，對(duì)SOC0進(jìn)行修正，體現(xiàn)電池循環(huán)次數(shù)和環(huán)境溫度共同作用下真實(shí)的SOC0。

校正系數(shù)定義為：電池實(shí)際容量/額定容量，對(duì)于相同規(guī)格的電池具有普適性。實(shí)際容量受溫度、老化程度和充放電倍率的影響，分別通過(guò)電池的溫度、老化程度、充放電倍率實(shí)驗(yàn)曲線獲得，選用同一批次生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池，分別進(jìn)行電池初始SOC測(cè)定實(shí)驗(yàn)、不同溫度下的放電實(shí)驗(yàn)、浮充電老化實(shí)驗(yàn)和不同放電倍率下的放電實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到電池初始SOC和不同校正系數(shù)。

α修正系數(shù)與環(huán)境溫度和電池循環(huán)次數(shù)有關(guān)，環(huán)境溫度和電池循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系可以分別用確定的函數(shù)關(guān)系式表示，為求得兩個(gè)參數(shù)共同作用下的α，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可得到α表達(dá)式和參考值。

2.2 積分計(jì)算單元估算優(yōu)化

針對(duì)電流積分計(jì)算部分，電池運(yùn)行環(huán)境溫度、電芯老化程度、不同工況下充放電倍率對(duì)電池容量也有影響最大，需增加修正系數(shù)β，體現(xiàn)在當(dāng)前運(yùn)行溫度、電芯老化程度、電池充放電倍率下，電池的修正容量值。

修正系數(shù)β對(duì)式中積分部分電池容量進(jìn)行修正，與電池的溫度、老化程度、充放電倍率有關(guān)，可分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到修正系數(shù)β與電池的溫度、老化程度、充放電倍率關(guān)系曲線和公式。

(1)溫度校正

電池的實(shí)際容量由于運(yùn)行溫度改變電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)而受到影響。在運(yùn)行溫度過(guò)低時(shí)，電芯中電解液黏滯度將增加，其中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)增大，這樣使得電芯中的化學(xué)反應(yīng)不能充分進(jìn)行，所以電池電芯的實(shí)際可用容量才會(huì)相應(yīng)下降；同理分析，隨著運(yùn)行溫度升高時(shí)，電芯內(nèi)部的活化能也會(huì)增大，化學(xué)反應(yīng)更加劇烈充分，電芯內(nèi)部實(shí)際可用容量會(huì)相應(yīng)增加，但溫度升高有嚴(yán)格的限制條件。

(2)老化程度校正

隨著電池的使用，其內(nèi)部老化程度也不斷加劇，電池電芯實(shí)際容量也會(huì)逐漸衰減。電池循環(huán)充放電或長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)靜置都是引起電池的老化主要原因，而礦用儲(chǔ)能電池長(zhǎng)時(shí)間工作在浮充電狀態(tài)下，其老化由浮充電引起，老化速度介于循環(huán)充放電和長(zhǎng)時(shí)間能量存儲(chǔ)引起的老化速度之間。

(3)充放電倍率校正系數(shù)

電池運(yùn)行中的充放電電流越大，則電池內(nèi)部的庫(kù)倫效率越低，電池的實(shí)際可用容量越小，因此在電池充放電過(guò)程中需要實(shí)時(shí)對(duì)充放電倍率進(jìn)行監(jiān)控，以保證電池容量能夠得到充分利用，并防止電池的過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 極值修正

電池SOC在0～10%和90%～100%時(shí)，SOC與OCV關(guān)系曲線的斜率較大，OCV與SOC的線性關(guān)系容易辨識(shí)，而礦用儲(chǔ)能電池SOC長(zhǎng)時(shí)間處于90%以上，因此在這一階段對(duì)電池SOC進(jìn)行校正更具有針對(duì)性，校正后的SOC估算表達(dá)式為：

SOCT=γSOC+(1-γ)SOC0

(2)

式中γ—修正因子，通過(guò)枚舉法確定其取值為0.82；

SOC0—通過(guò)端電壓查表所得的電池SOC。

式(2)適用于SOC≤10%或SOC≥90%時(shí)的情況，此時(shí)可用端電壓代替OCV進(jìn)行校正，能夠有效提高SOC估計(jì)精度，在10%

3 結(jié)論

采用多種修正因子和實(shí)驗(yàn)曲線擬合，可用于針對(duì)有色工程等使用得電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC估算過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，降低SOC估算累計(jì)誤差，提高SOC估算的精度和效率，有效提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，有利于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。