电动汽车动力电池剩余电量估算研究

黄 蕾

国网江西省电力公司南昌供电分公司

电动汽车动力电池剩余电量估算研究

黄 蕾

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SOC是电池内剩余电荷的可用状态，能够准确估算出电池电池剩余电量是进行动力电池均衡控制的基础，是电动汽车电池管理系统中的关键技术，电池SOC的估计受很多外界因素的影响，因此很难非常精确的估算出电池SOC。本文对动力电池模型，SOC估算方法进行了研究，分析了各种估算方法的原理、优缺点及目前实际应用的情况等。

均衡控制；剩余电量；SOC估计

前言

为了解决全球性的石油资源紧缺与气候环境不断恶化的问题，电动汽车以其独特的节能环保优势成为未来交通工具的首选。而动力电池作为电动汽车的关键技术，对荷电状态(stateofcharge，SOC)进行准确的估计和监测，从安全性和电池使用效率来看都至关重要。

1 、SOC影响因素分析

1.1 充放电率

不同的充放电率，电池放出或者充入的电量是有差异的，电池放电率增加，电池可用容量下降；而充电率增加，可用容量上升。

1.2 温度

电池内部化学物质的活性随温度的变化而变化，同时，温度降低会导致电池内阻增加；而温度过高会减少电池内部的化学物质，从而导致丧失电池部分容量。

1.3 自放电率

电池由于其内部的化学反应而普遍存在着自放电的情况。该现象会导致电池损失部分容量，自放电率越高，损失的容量越严重。

1.4 老化程度

电池随充放电次数的增加，其内部的化学物质反应也越来越充分，在相同条件下，电池的总容量迅速增加。当电池达到一定的充放电次数，电池的可用容量便会出现下降。当电池充放电次数达到其循环寿命时，电池的可用容量开始迅速降低。

2 、SOC估算方法

2.1 放电实验法

放电实验法是最可靠的SOC估算方法，其原理为，采用恒定电流进行连续放电，放电电流与时间的乘积即为剩余电量。

但它存在两个显著缺点，首先，实现整个过程需要大量时间；其次，电池进行的工作必须要中断，不适合行驶中的电动汽车，不能在线对SOC进行测量。

放电实验法适用于所有电池，在实验室中经常使用，一般作为实验室检验所选SOC算法精确度的标准，同时还用于研究电池的充放电特性和用于电池检修维护。

2.2 Ah积分法

Ah积分法是一种最常用的电量累计方法，是由日本的CHUGOKUElectricPowerCo.Inc.的TechnicalResearchCen-ter提出的一种混合动力电动汽车蓄电池荷电状态SOC的研究方法，即通过计算一段时间内电流和充放电时间的积分，计算变化电量的百分比，进而求出初始SOC0和变化的驻SOC之间的差，即为剩余容量SOC，那么当前的SOC状态计算公式为：

式中：为额定容量；为电池电流；浊为充放电效率。

Ah积分法没有从电池内部解决电量与电池状态的关系，只是从外部记录进出电池的能量，不可避免地使电量的计量可能因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温度、充放电倍率、老化因素等的影响。同时电流测量不准也将造成SOC估算误差，长期积累，误差越来越大。另外，初始时刻的SOC0由于电池存在自放电现象也将影响SOC估算结果。所以要提高Ah法的精度，就必须对这些因素有较好的处理方法。

在实际应用中，Ah积分法适用于所有的电动汽车，一般作为估算SOC的基础，常常与其它方法结合使用，从而提高SOC的估算精度。

2.3 开路电压法

路电压法认为电池开路电压和SOC存在固定而准确的关系。准确的开路电压值要求电池断开一个小时以上，以使其内部处于稳定状态，因此该方法不能用于动态估算电池的SOC。

开路电压法在电池充放电的初期和末期测量结果较准确，因而可以与安时积分法结合使用。中国海洋大学的周亚楠根据电池断电时间及其上电时的开路电压，修正当前初始状态的SOC值，提高了安时积分法的估算精度。河南科技大学的田晓辉等人根据电池的开路电压及电池所处的状态，对安时积分法的计算公式进行修正，解决了SOC初始值不确定、循环充放电次数对电池容量有影响等问题。大连交通大学的曾洁等人提出，通过实验获取电池静止状态的开路电压(OCV)与对应的初始SOC值，然后基于多项式回归分析法拟合出OCV-SOC曲线方程，解决了安时积分法初始SOC不确定的难题。

2.4 测量内阻法

内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。电池内阻有交流内阻(常称交流阻抗)和直流内阻之分，它们都与SOC有密切关系。

电池交流阻抗是电池电压与电流之间的传递函数，要用交流阻抗仪来测量。电池交流阻抗受温度影响大，交流阻抗测量是在电池处于静置后的开路状态，还是在电池充放电过程中进行，存在争议，所以很少用于实车上。

直流内阻表示电池对直流电的反抗能力，数值上表示为在很短的时间段内，电池电压变化量与电流变化量的比值。直流内阻的大小受计算时间段影响，若时间段短于10ms，只有欧姆内阻能够检测到；若时间段较长，内阻将变得复杂。同时，电池的内阻还受多方面的因素的影响，且电池不同工作阶段，电池内阻变化范围也不一样，放电后期，相对比较稳定；放电初期，内阻则变化大。因此，用内阻法估算SOC，难度比较大，可信度不高。

在实际应用中，测量内阻法适用于放电后期对电池SOC的估计，一般与Ah积分法结合使用。

3 、结束语

在实际的电动汽车中用于估算SOC的方法都是基于传统方法，即在Ah积分的基础上加入一些影响因子的校正，其缺点是SOC的估算结果存在很大的误差，目前应用于电池管理系统的SOC估算技术还不是很成熟，虽然用于电池SOC估算方法种类之多，但各种方法都存在着一定的缺陷，难以满足SOC实时在线、高精度估计的要求。

未来SOC估算方法的研究，必将从四个方面进行完善：首先，通过大量实验，建立丰富的数据库，使得SOC估算有据可依，有据可查；其次，依靠硬件方面的技术，提高电流、电压等的测量精度，保证用于估算SOC的基本数据的准确性；第三，引入准确的电池模型，更真实地表征电池在使用过程中的动态特性；最后，综合各种算法，扬长补短，对SOC不同阶段引入不同的校正方法，最大程度地减少不同状态下的误差，提高其估算精度。

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