黃 蕾

國(guó)網(wǎng)江西省電力公司南昌供電分公司

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池剩余電量估算研究

黃 蕾

國(guó)網(wǎng)江西省電力公司南昌供電分公司

SOC是電池內(nèi)剩余電荷的可用狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確估算出電池電池剩余電量是進(jìn)行動(dòng)力電池均衡控制的基礎(chǔ)，是電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，電池SOC的估計(jì)受很多外界因素的影響，因此很難非常精確的估算出電池SOC。本文對(duì)動(dòng)力電池模型，SOC估算方法進(jìn)行了研究，分析了各種估算方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及目前實(shí)際應(yīng)用的情況等。

均衡控制；剩余電量；SOC估計(jì)

前言

為了解決全球性的石油資源緊缺與氣候環(huán)境不斷惡化的問(wèn)題，電動(dòng)汽車以其獨(dú)特的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)交通工具的首選。而動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)和監(jiān)測(cè)，從安全性和電池使用效率來(lái)看都至關(guān)重要。

1 、SOC影響因素分析

1.1 充放電率

不同的充放電率，電池放出或者充入的電量是有差異的，電池放電率增加，電池可用容量下降；而充電率增加，可用容量上升。

1.2 溫度

電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的活性隨溫度的變化而變化，同時(shí)，溫度降低會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加；而溫度過(guò)高會(huì)減少電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)，從而導(dǎo)致喪失電池部分容量。

1.3 自放電率

電池由于其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)而普遍存在著自放電的情況。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p失部分容量，自放電率越高，損失的容量越嚴(yán)重。

1.4 老化程度

電池隨充放電次數(shù)的增加，其內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)也越來(lái)越充分，在相同條件下，電池的總?cè)萘垦杆僭黾?。?dāng)電池達(dá)到一定的充放電次數(shù)，電池的可用容量便會(huì)出現(xiàn)下降。當(dāng)電池充放電次數(shù)達(dá)到其循環(huán)壽命時(shí)，電池的可用容量開(kāi)始迅速降低。

2 、SOC估算方法

2.1 放電實(shí)驗(yàn)法

放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的SOC估算方法，其原理為，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量。

但它存在兩個(gè)顯著缺點(diǎn)，首先，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程需要大量時(shí)間；其次，電池進(jìn)行的工作必須要中斷，不適合行駛中的電動(dòng)汽車，不能在線對(duì)SOC進(jìn)行測(cè)量。

放電實(shí)驗(yàn)法適用于所有電池，在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，一般作為實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)所選SOC算法精確度的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還用于研究電池的充放電特性和用于電池檢修維護(hù)。

2.2 Ah積分法

Ah積分法是一種最常用的電量累計(jì)方法，是由日本的CHUGOKUElectricPowerCo.Inc.的TechnicalResearchCen-ter提出的一種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車蓄電池荷電狀態(tài)SOC的研究方法，即通過(guò)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)電流和充放電時(shí)間的積分，計(jì)算變化電量的百分比，進(jìn)而求出初始SOC0和變化的駐SOC之間的差，即為剩余容量SOC，那么當(dāng)前的SOC狀態(tài)計(jì)算公式為：

式中：為額定容量；為電池電流；濁為充放電效率。

Ah積分法沒(méi)有從電池內(nèi)部解決電量與電池狀態(tài)的關(guān)系，只是從外部記錄進(jìn)出電池的能量，不可避免地使電量的計(jì)量可能因?yàn)殡姵貭顟B(tài)的變化而失去精確度，比如電池溫度、充放電倍率、老化因素等的影響。同時(shí)電流測(cè)量不準(zhǔn)也將造成SOC估算誤差，長(zhǎng)期積累，誤差越來(lái)越大。另外，初始時(shí)刻的SOC0由于電池存在自放電現(xiàn)象也將影響SOC估算結(jié)果。所以要提高Ah法的精度，就必須對(duì)這些因素有較好的處理方法。

在實(shí)際應(yīng)用中，Ah積分法適用于所有的電動(dòng)汽車，一般作為估算SOC的基礎(chǔ)，常常與其它方法結(jié)合使用，從而提高SOC的估算精度。

2.3 開(kāi)路電壓法

路電壓法認(rèn)為電池開(kāi)路電壓和SOC存在固定而準(zhǔn)確的關(guān)系。準(zhǔn)確的開(kāi)路電壓值要求電池?cái)嚅_(kāi)一個(gè)小時(shí)以上，以使其內(nèi)部處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此該方法不能用于動(dòng)態(tài)估算電池的SOC。

開(kāi)路電壓法在電池充放電的初期和末期測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，因而可以與安時(shí)積分法結(jié)合使用。中國(guó)海洋大學(xué)的周亞楠根據(jù)電池?cái)嚯姇r(shí)間及其上電時(shí)的開(kāi)路電壓，修正當(dāng)前初始狀態(tài)的SOC值，提高了安時(shí)積分法的估算精度。河南科技大學(xué)的田曉輝等人根據(jù)電池的開(kāi)路電壓及電池所處的狀態(tài)，對(duì)安時(shí)積分法的計(jì)算公式進(jìn)行修正，解決了SOC初始值不確定、循環(huán)充放電次數(shù)對(duì)電池容量有影響等問(wèn)題。大連交通大學(xué)的曾潔等人提出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取電池靜止?fàn)顟B(tài)的開(kāi)路電壓(OCV)與對(duì)應(yīng)的初始SOC值，然后基于多項(xiàng)式回歸分析法擬合出OCV-SOC曲線方程，解決了安時(shí)積分法初始SOC不確定的難題。

2.4 測(cè)量?jī)?nèi)阻法

內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池的內(nèi)阻與SOC之間的聯(lián)系來(lái)預(yù)測(cè)SOC。電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻(常稱交流阻抗)和直流內(nèi)阻之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。

電池交流阻抗是電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，要用交流阻抗儀來(lái)測(cè)量。電池交流阻抗受溫度影響大，交流阻抗測(cè)量是在電池處于靜置后的開(kāi)路狀態(tài)，還是在電池充放電過(guò)程中進(jìn)行，存在爭(zhēng)議，所以很少用于實(shí)車上。

直流內(nèi)阻表示電池對(duì)直流電的反抗能力，數(shù)值上表示為在很短的時(shí)間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。直流內(nèi)阻的大小受計(jì)算時(shí)間段影響，若時(shí)間段短于10ms，只有歐姆內(nèi)阻能夠檢測(cè)到；若時(shí)間段較長(zhǎng)，內(nèi)阻將變得復(fù)雜。同時(shí)，電池的內(nèi)阻還受多方面的因素的影響，且電池不同工作階段，電池內(nèi)阻變化范圍也不一樣，放電后期，相對(duì)比較穩(wěn)定；放電初期，內(nèi)阻則變化大。因此，用內(nèi)阻法估算SOC，難度比較大，可信度不高。

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量?jī)?nèi)阻法適用于放電后期對(duì)電池SOC的估計(jì)，一般與Ah積分法結(jié)合使用。

3 、結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際的電動(dòng)汽車中用于估算SOC的方法都是基于傳統(tǒng)方法，即在Ah積分的基礎(chǔ)上加入一些影響因子的校正，其缺點(diǎn)是SOC的估算結(jié)果存在很大的誤差，目前應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的SOC估算技術(shù)還不是很成熟，雖然用于電池SOC估算方法種類之多，但各種方法都存在著一定的缺陷，難以滿足SOC實(shí)時(shí)在線、高精度估計(jì)的要求。

未來(lái)SOC估算方法的研究，必將從四個(gè)方面進(jìn)行完善：首先，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，建立豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，使得SOC估算有據(jù)可依，有據(jù)可查；其次，依靠硬件方面的技術(shù)，提高電流、電壓等的測(cè)量精度，保證用于估算SOC的基本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；第三，引入準(zhǔn)確的電池模型，更真實(shí)地表征電池在使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性；最后，綜合各種算法，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)SOC不同階段引入不同的校正方法，最大程度地減少不同狀態(tài)下的誤差，提高其估算精度。

[1]焦慧敏.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池剩余電量的預(yù)測(cè)方法及其實(shí)現(xiàn)[D].湖南大學(xué)，2006.

[2]王璐.電動(dòng)汽車鋰電池剩余電量估計(jì)方法的研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[3]周翔.電動(dòng)汽車電池剩余電量計(jì)算方法與管理系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]盧佳翔.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量狀態(tài)估算方法研究[D].山東理工大學(xué)，2015.