基于安时积分法与开路电压法估测电池SOC

续远

（南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 210000）

0 引言

随着电动汽车产业的兴起，电动汽车的电池安全问题引起了人们的广泛关注。锂电池以其高能量密度、高工作电压、高比能、低污染、低自然放电速率和无记忆效应等优点，被广泛用作电动汽车的电源。电池荷电状态（State of Charge，SOC）是电池使用过程中的重要参数，同时也是用来诊断电池健康状况、判断电池是否过充放电等的重要依据之一。因此，锂电池SOC值的精确估算对于延长电池寿命、提高电池安全性至关重要[1]。

目前，国内外常用的电池SOC估计方法主要有：开路电压法、内阻法、线性模型法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。而在各类估算方法当中，安时积分法由于不考虑电池内部复杂的电化学反应，直接通过负载电流的积分估计电池SOC，易于实现，应用最为广泛。

本文主要针对安时积分法不能确定电池SOC初始值和开路电压法需要长时间静置处理电池的问题，利用一种安时积分法与开路电压法相结合的方法精确快速地估计电池SOC值。

1 SOC的定义

在进行电池SOC值的估计之前，需要对电池SOC有一个准确的定义。目前国内外比较统一的认识是，电池的荷电状态即SOC被用来反映电池的剩余容量状况，其数值上定义为电池剩余容量占电池容量的比值：

其中： 为电池剩余容量，为电池以恒定电流I放电时所具有的能量。

如果以放出的电量 来求SOC值，则定义可表示为：

其中：SOC=1时表示为电池充满电状态，SOC=0时则表示电池为全放电状态。

2 安时积分法原理及特性

安时积分法是众多电池SOC值估计方法中最常用的一种方法。其工作原理如下：

假设电池充放电的起始状态为SOC0，那么当前状态的SOC为：

由上式可以看出，安时积分法估计电池SOC值，不仅需要测量电池充放电电流大小，还需要得到电池初始SOC值。而安时积分法本身是不能确定电池初始SOC值的，因此可能产生较大误差[2]。

3 开路电压法原理及特性

由于电池的开路电压在数值上近似等于电池的电动势，而电池在其性能完全稳定时，它的荷电状态与它的开路电压在一定范围内有线性关系，且这种线性关系受到温度和电池老化因素的影响很小，所以在电池充放电的初始时刻，可以通过检测电池两端的开路电压得到电池的初始SOC。则：

开路电压法的缺陷是电池需要长时间静置来达到电压温度状态，只适用于电动汽车驻车状态，但其在电池充放电的初期对电池SOC值的估计效果较好。

4 安时积分法与开路电压法相结合估测电池SOC的原理

开路电压法很难单独对电池SOC值进行动态估计，但是可以较精确地得到电池初始SOC值。安时积分法虽然可以实时估计电池SOC值，但不易得到精确的电池初始SOC值。因此考虑将安时积分法与开路电压法结合起来，前者用于SOC值实时估计，后者用于精确地估计初始SOC值。下面，给出一套安时积分法与开路电压法相结合估计电动汽车电池SOC值的流程图：

由于使用开路电压法要求电池必须达到充分静置，因此可以根据电池达到充分静置所需的时间X与SOC的关系，来判断是否可以使用开路电压法，X是指从电池停止放电时刻起到电池端电压的上升率小于1mV/min止所经历的时间。算法中，若停车时间大于X，说明此时电路的开路电压OCV达到稳定，可以反映此时电池的SOC，于是我们通过OCV的值来校正初始SOC的值[3]。若停车时间不大于X，则说明此时电路的开路电压OCV还未达到稳定，于是我们采用上次停车时刻的SOC值作为初始SOC的值。

算法中的图2为电池达到充分静置所需时间X与电池SOC的关系曲线图，图3为电池OCV与SOC的关系曲线图。两者皆需要通过实验来获得。

5 实验

以3.7V/12Ah锂电池单体为实验对象，在室温下进行以下两项实验：①测量电池达到充分静置所需时间X与电池SOC的关系；②测量电池充分静置后OCV与SOC的关系[4-5]。

实验①步骤：

（1）锂电池的实验准备。在室温下，对电池进行恒流2.4A（0.2C）充电，充电截止电压为4.2V，并静置10小时（默认此时电池SOC为100%）。

（2）电池恒流放电过程。用恒流2.4A（0.2C）定容量（电池SOC的10%）对电池进行放电，观察并记录下电池停止放电时刻起到电池端电压的上升率小于1mV/min止所经历的时间，然后对电池重复恒流定容量放电，直到电压达到放电截止电压2.5V。

（3）绘制并拟合电池达到充分静置所需时间X与电池SOC的关系曲线图。

实验②步骤：

实验②将实验①改为放电，并记录电池开路电压OCV即可。

下面给出使用matlab拟合的两曲线图：

6 结语

本文分析了安时积分法与开路电压法的优缺点，并利用其各自的特性，提出了一套安时积分法与开路电压法相结合的电池SOC估算方法。理论上优化了安时积分法不能确定SOC初始值和开路电压法耗时长的问题。对估算锂电池的荷电状态具有一定的参考价值。