车载锂电池SOC 估算方法和应用探析

赵馨月

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

在电动企业行业发展中，锂电池是被公认的最适合电动汽车的动力电池，锂电池和其他类型的电池相比，优势更加明显突出。在进行锂电池使用过程中，要充分发挥出锂电池性能的良好性价值和管理系统，这就需要对锂电池的荷电状态进行准确估算。通过对车载锂电池SOC 进行准确估算可以保障电池组中各个电池性能的稳定性，提高锂电池的使用寿命；另外，通过对锂电池SOC 的准确估算，可以在电池管理系统中开展准确的能量管理，提高电池的使用效率；此外，在对电池进行充放电时，通过SOC 估算，可以规范电池充放电中的不合理使用行为，从而延长电池的使用寿命。所以，对锂电池SOC 估算方法及应用进行分析研究有着非常明显的现实价值和意义。

1 车载锂电池SOC 估算方法

1.1 按时计量法

在进行锂电池SOC 估算时，最常用的一种实验测量估算法就是安时法，这种估算方法的表达方式为；其中SOC（t）表示的是估算得到的SOC 值，SOC（to）表示为初始阶段SOC 的值；η 代表了库伦效率；k 表示的是电池容量衰减系数；Cr 为电池的额定容量；i（t）表示的是当前电流值，在进行放电的时候是正值，充电的时候是负值。安时估算法的应用频率和范围比较广，但是，这种方法在进行锂电池SOC 估算时，也会出现明显的局限性和不足。比如，这种估算方法对于初始荷电状态的准确性要求非常高，一般情况下，会按照电动势法的方式来取得所需要的各种数据信息；这种估算方法是一种开环算法，在估算进行的过程中，一旦出现误差会随着估算的深入误差会不断增大，造成最终的估算结果和准确结果差距过大，估算的结果出现不准确的问题。另外，为了确保最终估算值的准确性，在进行估算过程中，要结合锂电池老化程度来对估算过程中各项参数进行及时更新，这也就说明，采用安时估算法进行估算时，相关的参数并不是固定不变的，是需要进行不断更新的，这样才进行荷电状态进行估算是难度和复杂性会大大增加。

1.2 开路电压法（电动势法）

车载锂电池荷电状态值和其他电动势E 之间的关系呈现出了一种相对稳定的状态，也就是E-SOC 曲线。在锂电池长期保持安静的状态下，电池的电极也会处在一个平衡的状态下，这时电动势E 就是开路电压，这样电动势法以电池开路电压看作是输入来对电池当前的荷电状态进行估算分析。在进行试验测量的过程中，通常会在温度恒定的状态下进行测量，温度会控制在25℃左右，在合适的电流下进行放电处理，电池的荷电状态每降低5%，静置的时间为3 ～5 小时，然后将相对应的开路电压记录下来。通过多次拟合后，获取电池荷电状态估算方式为在本关系式中，p1、p2、p3……pn表示的是多项式拟合系数。这种电动势估算方法应用时比较简单，但是也会受到电池长时间处在静置状态需求和其他方法结合使用要求的影响，在对电池荷电状态进行估算时，要采用高精度的荷电状态估算。

1.3 直流内阻法

如图1 所示，为车载锂电池的等效模型，在该模型中，锂电池外的电压为Uo，其中开路电压为UOCV，直流电阻为RΩ，直流电阻降压为UR，极化阻抗为Zp，极化阻抗的电压为Up，而电池的荷电状态和开路电压之间是一种单一性的非线性关系。

图1 锂电池的等效模型

锂电池在充放电的过程中，内阻变化的范围是不相同的。在进行充放电的开始阶段，荷电状态会保持在0 ～50%，此时的内阻变化比较大，在充放电最后阶段，荷电状态会保持在50%～100%，内阻的变化不大，相对来说比较稳定。这样就可以采用相应的检查结果对锂电池的直流电阻情况进行计算，然后对电池的荷电状态进行估算。

在采用直流内阻法进行锂电池荷电状态估算时，常常会出现3 种缺点：（1）如果锂电池自身的阻抗在荷电状态50%的时候才会出现比较大的变动，如果荷电状态在50%～80%，就没有办法借助直流电阻对荷电状态进行估算；（2）车载锂电池自身所产生的直流电阻并不是很大，仅仅有1/1000 欧姆，但是，要进行准确计算并不容易，因此采用直流电子的方式来进行计算会出现很大的偏差；（3）如果是在相同的荷电状态下，锂电池的直流阻抗也会受到温度、电池使用时间等多种因素的影响，这样同一的荷电状态也会出现不同的计算结果，或者是在相同抗阻下出现了多种不同的荷电状态，这样就没有可对比性和对照性。此外，锂电池的阻抗还会受到自身化学属性的影响，同时极板构架也会对其产生影响，并且锂电池的加工也会对其产生很大的影响，相同的电池生产流程产生的阻抗和荷电状态也会有明显的不同。因此，采用单一性的直流内阻法来进行锂电池荷电状态的估算并不能准确地获取准确结果，在锂电池管理体系中也没有办法得到相应的使用。

2 车载锂电池对SOC 估算法的要求

电动汽车中的电池动力为锂电池，这就需要对锂电池组的充放电过程进行动态调控，这样对锂电池SOC 估算的准确性要求比较高。

（1）需要进行动态性的实时估算。在进行荷电状态估算时，要将荷电状态的信息进行公开。在进行荷电状态估算时，开路电压法和内阻法的检测性缺乏准确性，所以不能采取这种估算防范，但是，因为神经网络估算法需要众多的信息数据，实际应用性和实践性不足，这样就没有办法进行实时性的估算。

（2）需要对累计偏差进行修正。在车载电池运行中是没有办法进行充放电的，却可以让锂电池充放到平台以下，在收尾的位置进行响应的修正处理。在进行充电时，也可以对其中的电流进行管理控制，这就需要在锂电池离线状态下对曲线进行检测，借助查表方式来进行修正处理。

（3）如果锂电池长期处在静置状态，要按照电池开路电压来对荷电状态进行估算，此过程中如果收尾出现了比较大的偏差，就需要进行修整处理。

3 车载锂电池SOC 估算方法的应用

3.1 实验测量分析

按照安时估算方法来对车载锂电池的荷电状态进行估算分析。锂电池在充电状态时，按照锂电池单体充电截止电压的特性，结合电芯充电末端的最高电压来对末端进行修正处理。在放电荷电状态估算时，借助电动势法的方式来对放电OCV 实施末端修正。某车载锂电池组为521.64V/4040A·h，单体电芯为3.22V/202A·h，充电停止时的电压为3.7V。在对该车载锂电池组荷电状态进行分析时，充电时长为1h17min，此时，开始时的最高电压为3.306，结束时的最高电压为3.704；放电时长为13h26min，此时，开始时的最高电压为3.474，结束时的最高电压为3.247。充放电试验单体电压曲线如图2 所示。

图2 充放电实验单体电压曲线变化值

3.2 锂电池充放电荷电状态估算分析

按照锂电池充放电电流和时间数据，并采用安时法的方式来对t 时间荷电状态值，按照安时法的计算公式。如果库伦效率η 以最合适的状态进行计算，η为1，额定容量Cr 为404A·h，电池容量衰减系统k，按照容量衰减计算方式；同一个型号的车载锂电池在充电记录中的线性度比较好中段的荷电状态在30%～80%之间，也就是说，荷电状态增加量QSOC为0.5，充电容量Q 为181.6A·h，这样车载锂电池在t 时的荷电状态值为0.9。

在进行充电荷电状态值估算和修正时，充电SOC 为36%，采用安时法的估算方式，图2 中的充电曲线为当前电流值，在进行充电容量荷电状态值进行估算时，充电末端单体电压在上升到3.7V 时，利用充电末端最高电压Vmax 来进行修正，并把荷电状态值从99%调整为100%，其余的荷电状态估值全部相同。

在进行放电荷电状态估算及修正时，放电核电状态值为100%，按照安时法的计算方式，估算放电过程中的荷电状态值按照下述进行计算。放电末端的核电状态值开始估算为25%。如果根据OCV-SOC 曲线来进行修正的话，放电末端的荷电状态初始值进行修正。为了避免在放电过程中出现内阻和极化效应，以MATLAB 中的cftool 拟合工具箱，并结合OCV-SOC 获得的数据，采用电动势法的计算公式进行估算，得出最终的拟合曲线参数值。在锂电池放电在荷电状态估算值25%后再静置一段时间，单体的最高电压将会保持在3.247V 左右。此时，所对应的核电状态值为23%，因此，荷电状态值从初期采用安时法估算的25%调整为23%。

4 结语

电动汽车中的电池组大概率采用的是锂电池，所以，车载锂电池的性能会对电动汽车的整体性能产生直接性的影响。因此，对车载锂电池SOC 估算和应用进行分析研究有着重要价值和意义。为了更好地对车载锂电池SOC 估算方法和应用进行分析探讨，本文在分析介绍了实验测量SOC 估算中常用的按时法、内阻法和电动势法的基础上，介绍了车载锂电池对SOC估算法的要求，最后，结合试验检测案例对按时法和开路电压法的实际估算和应用进行了详细分析和探讨。