車載鋰電池SOC 估算方法和應用探析

趙馨月

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160）

在電動企業行業發展中，鋰電池是被公認的最適合電動汽車的動力電池，鋰電池和其他類型的電池相比，優勢更加明顯突出。在進行鋰電池使用過程中，要充分發揮出鋰電池性能的良好性價值和管理系統，這就需要對鋰電池的荷電狀態進行準確估算。通過對車載鋰電池SOC 進行準確估算可以保障電池組中各個電池性能的穩定性，提高鋰電池的使用壽命；另外，通過對鋰電池SOC 的準確估算，可以在電池管理系統中開展準確的能量管理，提高電池的使用效率；此外，在對電池進行充放電時，通過SOC 估算，可以規范電池充放電中的不合理使用行為，從而延長電池的使用壽命。所以，對鋰電池SOC 估算方法及應用進行分析研究有著非常明顯的現實價值和意義。

1 車載鋰電池SOC 估算方法

1.1 按時計量法

在進行鋰電池SOC 估算時，最常用的一種實驗測量估算法就是安時法，這種估算方法的表達方式為；其中SOC（t）表示的是估算得到的SOC 值，SOC（to）表示為初始階段SOC 的值；η 代表了庫倫效率；k 表示的是電池容量衰減系數；Cr 為電池的額定容量；i（t）表示的是當前電流值，在進行放電的時候是正值，充電的時候是負值。安時估算法的應用頻率和范圍比較廣，但是，這種方法在進行鋰電池SOC 估算時，也會出現明顯的局限性和不足。比如，這種估算方法對于初始荷電狀態的準確性要求非常高，一般情況下，會按照電動勢法的方式來取得所需要的各種數據信息；這種估算方法是一種開環算法，在估算進行的過程中，一旦出現誤差會隨著估算的深入誤差會不斷增大，造成最終的估算結果和準確結果差距過大，估算的結果出現不準確的問題。另外，為了確保最終估算值的準確性，在進行估算過程中，要結合鋰電池老化程度來對估算過程中各項參數進行及時更新，這也就說明，采用安時估算法進行估算時，相關的參數并不是固定不變的，是需要進行不斷更新的，這樣才進行荷電狀態進行估算是難度和復雜性會大大增加。

1.2 開路電壓法（電動勢法）

車載鋰電池荷電狀態值和其他電動勢E 之間的關系呈現出了一種相對穩定的狀態，也就是E-SOC 曲線。在鋰電池長期保持安靜的狀態下，電池的電極也會處在一個平衡的狀態下，這時電動勢E 就是開路電壓，這樣電動勢法以電池開路電壓看作是輸入來對電池當前的荷電狀態進行估算分析。在進行試驗測量的過程中，通常會在溫度恒定的狀態下進行測量，溫度會控制在25℃左右，在合適的電流下進行放電處理，電池的荷電狀態每降低5%，靜置的時間為3 ～5 小時，然后將相對應的開路電壓記錄下來。通過多次擬合后，獲取電池荷電狀態估算方式為在本關系式中，p1、p2、p3……pn表示的是多項式擬合系數。這種電動勢估算方法應用時比較簡單，但是也會受到電池長時間處在靜置狀態需求和其他方法結合使用要求的影響，在對電池荷電狀態進行估算時，要采用高精度的荷電狀態估算。

1.3 直流內阻法

如圖1 所示，為車載鋰電池的等效模型，在該模型中，鋰電池外的電壓為Uo，其中開路電壓為UOCV，直流電阻為RΩ，直流電阻降壓為UR，極化阻抗為Zp，極化阻抗的電壓為Up，而電池的荷電狀態和開路電壓之間是一種單一性的非線性關系。

圖1 鋰電池的等效模型

鋰電池在充放電的過程中，內阻變化的范圍是不相同的。在進行充放電的開始階段，荷電狀態會保持在0 ～50%，此時的內阻變化比較大，在充放電最后階段，荷電狀態會保持在50%～100%，內阻的變化不大，相對來說比較穩定。這樣就可以采用相應的檢查結果對鋰電池的直流電阻情況進行計算，然后對電池的荷電狀態進行估算。

在采用直流內阻法進行鋰電池荷電狀態估算時，常常會出現3 種缺點：（1）如果鋰電池自身的阻抗在荷電狀態50%的時候才會出現比較大的變動，如果荷電狀態在50%～80%，就沒有辦法借助直流電阻對荷電狀態進行估算；（2）車載鋰電池自身所產生的直流電阻并不是很大，僅僅有1/1000 歐姆，但是，要進行準確計算并不容易，因此采用直流電子的方式來進行計算會出現很大的偏差；（3）如果是在相同的荷電狀態下，鋰電池的直流阻抗也會受到溫度、電池使用時間等多種因素的影響，這樣同一的荷電狀態也會出現不同的計算結果，或者是在相同抗阻下出現了多種不同的荷電狀態，這樣就沒有可對比性和對照性。此外，鋰電池的阻抗還會受到自身化學屬性的影響，同時極板構架也會對其產生影響，并且鋰電池的加工也會對其產生很大的影響，相同的電池生產流程產生的阻抗和荷電狀態也會有明顯的不同。因此，采用單一性的直流內阻法來進行鋰電池荷電狀態的估算并不能準確地獲取準確結果，在鋰電池管理體系中也沒有辦法得到相應的使用。

2 車載鋰電池對SOC 估算法的要求

電動汽車中的電池動力為鋰電池，這就需要對鋰電池組的充放電過程進行動態調控，這樣對鋰電池SOC 估算的準確性要求比較高。

（1）需要進行動態性的實時估算。在進行荷電狀態估算時，要將荷電狀態的信息進行公開。在進行荷電狀態估算時，開路電壓法和內阻法的檢測性缺乏準確性，所以不能采取這種估算防范，但是，因為神經網絡估算法需要眾多的信息數據，實際應用性和實踐性不足，這樣就沒有辦法進行實時性的估算。

（2）需要對累計偏差進行修正。在車載電池運行中是沒有辦法進行充放電的，卻可以讓鋰電池充放到平臺以下，在收尾的位置進行響應的修正處理。在進行充電時，也可以對其中的電流進行管理控制，這就需要在鋰電池離線狀態下對曲線進行檢測，借助查表方式來進行修正處理。

（3）如果鋰電池長期處在靜置狀態，要按照電池開路電壓來對荷電狀態進行估算，此過程中如果收尾出現了比較大的偏差，就需要進行修整處理。

3 車載鋰電池SOC 估算方法的應用

3.1 實驗測量分析

按照安時估算方法來對車載鋰電池的荷電狀態進行估算分析。鋰電池在充電狀態時，按照鋰電池單體充電截止電壓的特性，結合電芯充電末端的最高電壓來對末端進行修正處理。在放電荷電狀態估算時，借助電動勢法的方式來對放電OCV 實施末端修正。某車載鋰電池組為521.64V/4040A·h，單體電芯為3.22V/202A·h，充電停止時的電壓為3.7V。在對該車載鋰電池組荷電狀態進行分析時，充電時長為1h17min，此時，開始時的最高電壓為3.306，結束時的最高電壓為3.704；放電時長為13h26min，此時，開始時的最高電壓為3.474，結束時的最高電壓為3.247。充放電試驗單體電壓曲線如圖2 所示。

圖2 充放電實驗單體電壓曲線變化值

3.2 鋰電池充放電荷電狀態估算分析

按照鋰電池充放電電流和時間數據，并采用安時法的方式來對t 時間荷電狀態值，按照安時法的計算公式。如果庫倫效率η 以最合適的狀態進行計算，η為1，額定容量Cr 為404A·h，電池容量衰減系統k，按照容量衰減計算方式；同一個型號的車載鋰電池在充電記錄中的線性度比較好中段的荷電狀態在30%～80%之間，也就是說，荷電狀態增加量QSOC為0.5，充電容量Q 為181.6A·h，這樣車載鋰電池在t 時的荷電狀態值為0.9。

在進行充電荷電狀態值估算和修正時，充電SOC 為36%，采用安時法的估算方式，圖2 中的充電曲線為當前電流值，在進行充電容量荷電狀態值進行估算時，充電末端單體電壓在上升到3.7V 時，利用充電末端最高電壓Vmax 來進行修正，并把荷電狀態值從99%調整為100%，其余的荷電狀態估值全部相同。

在進行放電荷電狀態估算及修正時，放電核電狀態值為100%，按照安時法的計算方式，估算放電過程中的荷電狀態值按照下述進行計算。放電末端的核電狀態值開始估算為25%。如果根據OCV-SOC 曲線來進行修正的話，放電末端的荷電狀態初始值進行修正。為了避免在放電過程中出現內阻和極化效應，以MATLAB 中的cftool 擬合工具箱，并結合OCV-SOC 獲得的數據，采用電動勢法的計算公式進行估算，得出最終的擬合曲線參數值。在鋰電池放電在荷電狀態估算值25%后再靜置一段時間，單體的最高電壓將會保持在3.247V 左右。此時，所對應的核電狀態值為23%，因此，荷電狀態值從初期采用安時法估算的25%調整為23%。

4 結語

電動汽車中的電池組大概率采用的是鋰電池，所以，車載鋰電池的性能會對電動汽車的整體性能產生直接性的影響。因此，對車載鋰電池SOC 估算和應用進行分析研究有著重要價值和意義。為了更好地對車載鋰電池SOC 估算方法和應用進行分析探討，本文在分析介紹了實驗測量SOC 估算中常用的按時法、內阻法和電動勢法的基礎上，介紹了車載鋰電池對SOC估算法的要求，最后，結合試驗檢測案例對按時法和開路電壓法的實際估算和應用進行了詳細分析和探討。