張持健，陳 航

(安徽師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽蕪湖241000)

鋰電池SOC預(yù)測方法綜述

張持健，陳 航

(安徽師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽蕪湖241000)

鋰電池荷電狀態(tài)(SOC)是鋰電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)，鋰電池SOC實時預(yù)測關(guān)系到電池充放電控制和電動汽車的優(yōu)化管理，直接影響鋰電池的使用壽命。鋰電池的SOC受放電電流、內(nèi)部溫度、自放電、老化等因素的影響，使得鋰電池的實際容量難以確定。綜述了目前鋰電池SOC的各種預(yù)測方法，并進行比較，指出了各類方法存在的問題，給出了未來鋰電池SOC預(yù)測方法的發(fā)展趨勢。

SOC；預(yù)測方法；剩余容量

鋰電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)實時預(yù)測關(guān)系到電池充放電控制和電動汽車的優(yōu)化管理，直接影響鋰電池的使用壽命。目前國內(nèi)外普遍使用鋰電池SOC來表明鋰電池的性能狀態(tài)，本文介紹、比較了目前鋰電池SOC的各種預(yù)測方法，指出了各類方法存在的問題，給出了未來鋰電池SOC預(yù)測方法的發(fā)展趨勢。

1 SOC定義

美國先進電池聯(lián)合會(USABC)在其《電動汽車電池試驗手冊》中定義SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。定義式如下：

2 鋰電池SOC預(yù)測方法

SOC不能直接測出，只能根據(jù)一些可測量的參數(shù)來預(yù)測，而且環(huán)境溫度是影響電池SOC準(zhǔn)確預(yù)測的一個關(guān)鍵因素[1]。常用的鋰電池SOC預(yù)測方法一般是通過檢測電池端的電壓、電流、阻抗、溫度等參數(shù)來預(yù)估。

2.1 傳統(tǒng)的預(yù)測方法

傳統(tǒng)的鋰電池SOC預(yù)測方法包括開路電壓法、放電法、安時積分法和電導(dǎo)法。

2.1.1 開路電壓法

開路電壓是指外電路沒有電流流過時，電池達到平衡時正負極之間的電位差。電池經(jīng)過長時間的靜置后，電池端的電壓與SOC存在著相對固定的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過多次測量得到開路電壓-電池剩余容量曲線，即OCV-SOC曲線，可以根據(jù)開路電壓來預(yù)測SOC。文獻[2]指出起動型蓄電池的開路電壓與放電容量之間存在著某種線性關(guān)系，故而可以由開路電壓來估測荷電狀態(tài)，但是只能用在較短時間內(nèi)測定的電池開路電壓來評估電池的放電容量。文獻[3]中提到開路電壓還受到溫度的影響，在低SOC水平下，開路電壓開始隨溫度變化呈現(xiàn)出分叉現(xiàn)象，溫度越低，開路電壓的值也越低。

開路電壓法的一個明顯缺點是電池要經(jīng)過很長時間的靜置才可以測量，這樣會在測量上耗費很多時間。文獻[4]通過建立二階RC電路模擬電池極化效應(yīng)的電池模型，對電池放電后靜置的曲線進行多次實驗，找出規(guī)律公式，用電池停止放電后的某個時刻的電壓來估算電池的開路電壓，從而解決了估算SOC時開路電壓法用時長的缺陷。目前大多數(shù)研究者都是研究室溫環(huán)境下的OCV-SOC曲線，這將導(dǎo)致在其他環(huán)境溫度下的SOC預(yù)測產(chǎn)生很大的誤差[5]，而且鋰電池的OCV-SOC曲線相對比較平坦，這意味著一點點差異就會使SOC預(yù)測產(chǎn)生較大的誤差[6]。

2.1.2 放電法

放電法是公認的比較可靠的電池SOC估計方法，許多電池廠商都采用這種方法來做電池測試。放電法是采用恒定的電流來對電池進行連續(xù)的放電，直到放電截止，然后用時間與放電電流相乘就是放電電量。放電法的缺點是測量需要耗費大量的時間，另外電池不能在線測量，即電池要切斷平時工作時的電路后，再用放電法來測量。

2.1.3 安時積分法

安時積分法不研究電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)及各參數(shù)之間的關(guān)系，只是著眼于該系統(tǒng)的外部特征，通過實時監(jiān)測充入電池和放出電池的電量，來給出電池在任意時刻的剩余電量，相比于其他幾種方法，實現(xiàn)起來更加簡單，易于實現(xiàn)實時監(jiān)測，所以安時積分法是SOC預(yù)測方法中用得最多的方法。安時積分法的原理公式[7]如下：

從式(2)中可以看到，初始電量的確定對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的，如果電流采集值不精確，就會造成SOC計算誤差，長期積累，誤差將會越來越大，許多研究者為了提高電流測量的精度，通常采用高性能的電流傳感器來測量電流，比如霍爾傳感器、光纖傳感器等，但是這些傳感器的價格比較高，無形當(dāng)中就提高了測量的成本。為此，許多學(xué)者對安時積分法提出了改進，文獻[8]提出了一種改進的方法，并利用開路電壓法來計算出電池的初始電量，改進的工作原理如下：

安時積分法的預(yù)測精度高度依賴于電流傳感器和初始SOC的精確估計[9]。然而，庫侖計數(shù)是一個開環(huán)估計，不能消除測量誤差的累積和不確定的干擾。此外，它不能確定初始SOC，將導(dǎo)致SOC估計誤差積累。

2.1.4 電導(dǎo)法

電導(dǎo)法是指通過對鋰電池電導(dǎo)或者內(nèi)阻進行長期的跟蹤和測試，從大量測試數(shù)據(jù)中分析找出鋰電池電導(dǎo)與SOC之間的關(guān)系，從而進行鋰電池SOC預(yù)測。與開路電壓法類似，這里電池內(nèi)阻測量的精確性對SOC預(yù)測的精確性是很重要的，測量時要保證接觸良好，盡量使接觸電阻為零。常用的電池內(nèi)阻方法有直流內(nèi)阻測試法和交流內(nèi)阻測試法。直流內(nèi)阻法的測量結(jié)果不會受到充電器波紋及其他噪聲的影響，這使得測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但是如果放電電流較大，電池內(nèi)部就會出現(xiàn)極化內(nèi)阻，這就需要把放電時間控制在很短的時間內(nèi)[10]。交流內(nèi)阻法是在電池兩端加上一個較小的低頻交流信號，然后測出電池端的電流和電壓，計算出電池的內(nèi)阻[11]，與直流內(nèi)阻法相反，交流內(nèi)阻法很容易受到充電波紋及其他噪聲的影響，尤其是在采用50 Hz的交流信號時，測試結(jié)果受充電波紋影響更大[12]?；诖?，文獻[13]提出了測量蓄電池內(nèi)阻的新思路，即直接利用充電機對蓄電池進行浮充電，系統(tǒng)中存在的交流紋波信號來獲取蓄電池的內(nèi)阻信息。

2.2 新型的預(yù)測方法

新型的鋰電池SOC預(yù)測方法包括卡爾曼濾波法、模糊邏輯法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

2.2.1 卡爾曼濾波法

1960年卡爾曼利用時域狀態(tài)空間理論創(chuàng)立了卡爾曼濾波方法，后來提出了便于在計算機上遞推實現(xiàn)的卡爾曼濾波算法，該算法的基本原理是：采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的估計值和當(dāng)前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計[14]?？柭鼮V波算法分為標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波法(KF)、擴展卡爾曼濾波法(EKF)和無損卡爾曼濾波法(UKF)?？柭鼮V波算法估算鋰電池SOC的實質(zhì)是用安時積分法來計算SOC，同時用測量的電壓值來修正安時積分法得到的SOC值。

在利用卡爾曼濾波法預(yù)測電池SOC時，需要建立合適的等效電池模型，并且EKF算法的精度依賴于電池模型的準(zhǔn)確性。常用的鋰電池電路模型有Rint模型、Thevenin模型、Massimo Ceraolo模型[15]，三種模型的電路如圖1、圖2、圖3所示。文獻[16]采用Thevenin等效電路模型，利用DEFK(雙卡爾曼濾波)算法在線估計電池SOC，通過實驗表明，在不同的SOC初值情況下，DEFK算法有很好的收斂性，精確度更高。

圖1 Rint模型

圖2 Thevenin模型

圖3 Massimo Ceraolo模型

2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練獲得用數(shù)據(jù)表達的知識，除了可以記憶已知的信息之外，還具有較強的概括能力和聯(lián)想記憶能力[17]。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測鋰電池SOC的原理是：應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鋰電池進行建模，以電壓、電流等電池外部特性參數(shù)作為輸入，通過大量的樣本數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行樣本訓(xùn)練，當(dāng)SOC達到符號要求的誤差范圍內(nèi)以后，再利用該系統(tǒng)對新的輸入進行SOC預(yù)測[18]。圖4是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖5是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的電池SOC預(yù)測模型。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電池SOC預(yù)測模型

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測電池SOC的優(yōu)點是不需要建立確定的數(shù)學(xué)模型，另外從眾多的文獻可以看出電池SOC與通過電池的電流、電池端的電壓等參數(shù)之間是一種非線性關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能很好地通過樣本學(xué)習(xí)來確定這種非線性關(guān)系，樣本學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)越多，預(yù)測精度就越高。

2.3 其他的新方法

近年來研究者又提出了一些新的預(yù)測方法，比如最小二乘支持向量機回歸算法[19]、基于自適應(yīng)理論方法[20]、基于DE優(yōu)化SVR算法[21]、改進的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[22]和無損卡爾曼濾波相結(jié)合的方法[23]等等。這些新方法實質(zhì)上都是對上述傳統(tǒng)預(yù)測方法和新型預(yù)測方法預(yù)測SOC過程中所出現(xiàn)的誤差進行修正，盡可能地減小估算誤差，從而提高估算精度。在實際的電池管理系統(tǒng)中，預(yù)測電池SOC的方法都是傳統(tǒng)方法，諸如此類的新方法大多數(shù)只是在理論中進行研究，并利用軟件進行仿真。

3 結(jié)論

目前關(guān)于鋰電池的SOC預(yù)測技術(shù)還不夠成熟，預(yù)測方法層出不窮，各種方法的優(yōu)點和缺點如表1所示。

表1 SOC預(yù)測方法的優(yōu)缺點

由上面所提到的各種SOC預(yù)測方法的優(yōu)缺點，可以總結(jié)出未來SOC預(yù)測方法的發(fā)展趨勢：

(1)進一步提高單片機等測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的測量精度，以獲取更加精準(zhǔn)的樣本數(shù)據(jù)；

(2)建立更加精確并接近實際情況的電池等效電路模型；

(3)預(yù)測SOC應(yīng)加入更多的相關(guān)參數(shù)，不僅僅是電流、電壓、電導(dǎo)等，還應(yīng)考慮電池充放電次數(shù)、溫度等參數(shù)；

(4)采用多種方法相結(jié)合的方法來做預(yù)測，例如利用安時積分法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方法，并加入修正因子來提高預(yù)測精度。

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Review of state of charge estimation methods for lithium battery

Lithium battery SOC(state of charge)is an important parameter in lithium battery management systems.Lithium battery SOC real-time estimation refers to the battery charge and discharge control and optimal management of electric vehicles,and it has a direct impact on the life of lithium batteries.Lithium battery SOC state is affected by internal temperature,self-discharge,the effects of aging and other factors,making it difficult to determine the actual capacity of the lithium battery.The various estimation methods for lithium battery SOC were described and compared.The problems of all kinds of methods were pointed out.The future trends of lithium battery SOC estimation methods were given.

SOC;estimation methods;remaining capacity

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1318-03

2015-12-05

張持健(1964—)，男，上海市人，教授，主要研究方向為人工智能、測控技術(shù)、模式識別。