锂离子电池SOC估算方法研究

摘 要：SOC是锂离子电池的重要参数，其数值对预测汽车续航里程，进行能量策略管理有着重要的参考价值。但是，目前各种SOC估算方法均存在一定的缺点。本文对目前主流的SOC估算方法进行分析和对比，并对未来的SOC估算方法进行了预测。本文对锂离子电池的SOC估算具有一定的参考价值。

关键词：锂离子电池;SOC;参考价值

锂离子电池的SOC是进行动力电池充放电控制、预测汽车续航里程和进行车辆能量策略管理的重要依据。长期以来，开路电压一直是估算铅酸电池SOC的主要参考值，但是锂离子电池存在电压平台期，如果通过电压值进行估算，需要具有足够高的电压采样精度，也就对电池管理系统硬件和软件设计提出了更高的要求。

伴随着锂离子电池在新能源汽车，尤其是纯电动汽车上的广泛应用，SOC估算的重要性越来越高，无数研究者探索使用各种方法进行SOC的估算研究，SOC的估算方法层出不穷。在这种情况下，开展SOC估算方法的对比研究就显得尤为重要了。

1 当前主流的SOC估算方法

1.1 安培时间积分法

SOC以容量为依据进行计算，而容量的数值为电流在时间上的积分，因此安培时间积分法是估算SOC较为常用的方法。

顾名思义，安培时间积分法的应用方法为实时监测锂离子电池的充放电电流，然后在时域上积分即可。

安培时间积分法当前已经商用的电池管理系统（BMS）中应用最为广泛的方法，该方法实现相对简单，可操作性强，只需要配备电流传感器和采样电路即可。同时，安时积分法不涉及到锂离子电池复杂的反应原理，将锂离子电池视为一个黑箱，无需描述其复杂的电极反应全过程[1]，只关注电化学系统的外部特征即可。

不过，安培时间积分法需要长时间对电池的电流数据进行监测和记录，对电流传感器的精度要求较高。如果电流采集的误差较大，SOC的估算误差会随着时间的延长而累积。同时，由于SOC会受到锂离子电池工作温度、充放电电流、充放电深度的影响，安培时间积分法需要根据这些因素实时修正。

1.2 开路电压法

开路电压为电池没有外接负载时的电压。一般来说，电池的开路电压与其SOC之间存在一定的关系，例如，铅酸电池的开路电压与SOC可以近似看作线性关系。但是对于锂离子电池而言，开路电压与SOC之间的关系线性度相对较差，在其充电开始阶段和结束阶段匹配较好，在电压平台阶段可以作为SOC估算的参考。

开路电压法需要离线测量，也就是需要在锂离子电池没有接入任何负载的情况下测量。因此，在电动汽车的实际运行过程中，无法使用该方法进行测量。此外，并非只要未接入负载即是开路电压。开路电压需要电池在断开负载后，长时间静置。一般来说电池从放完电到电压稳定一般需要几个小时的时间，这就给开路电压法的应用带来了极大的困难。

1.3 神经网络算法

神经网络算法是目前在科研领域较为常用的SOC估算方法。神经网络算法模拟人类或者动物的自我学习的过程，无需关注电池内部的结构及工作原理，仅将与电池SOC相关的电流、温度、电压、内阻等数據导入神经网络的输入，将已知的SOC数值，作为神经网络的输出，对神经网络进行大量的训练，帮助神经网络形成内部的逻辑关系和权重数值，在有新的电流、电压、温度、电阻数据输入的时候，就可以自动进行计算，得到较为准确地SOC估算值[2]。

1.4 电化学阻抗谱（EIS）法

电化学阻抗谱算法简称EIS，是目前测量电池内阻的主流方法，由于电池内阻与SOC之间存在一定的关系，因此可以用于估算电池SOC。与神经网络算法类似，电化学阻抗谱算法也不需要关注锂离子电池内部的电化学反应过程，仅仅将锂离子电池作为一个黑箱，想锂离子电池输入一个小幅值信号，通过响应信号与输入信号的关系，判断锂离子电池内部的等效电路，并计算其数值得到电池内阻，作为SOC估算的依据[3]。

2 各种SOC估算方法的对比

通过对目前主流的SOC估算方法进行分析，发现安培时间积分法误差较大，开路电压法不适用与锂离子电池，神经网络算法需要大量的历史数据进行训练，电化学阻抗谱算法需要依托额外的设备。

总之，当前存在的各种SOC估算方法均存在一定的缺点，目前的趋势是将各种算法相结合，充分利用各种方法的优点。

参考文献：

[1]施王影，贾川，张永亮等.固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J].物理化学学报，2019，35（05）：509-516.

[2]胡康，周友元，陈威等.铌掺杂对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料结构和电化学性能的影响[J].矿冶工程，2019，39（03）：110-112.

[3]彭美勋，沈湘黔，王零森等.球形Ni（OH）2电极的电化学阻抗研究[J].矿冶工程，2005，25（01）：40-43.

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（18C1465）

作者简介：刘骞（1986-），男，河北人，硕士，讲师，研究方向：锂离子电池。