劉志豪

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)為電池當(dāng)前剩余容量與電池實際可用容量的比值，其作為電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的主要參數(shù)，可防止電池過充過放，從而延長電池的壽命，保證動力電池組的續(xù)航里程，其精確估計是電池管理系統(tǒng)主要功能得以實現(xiàn)的前提。目前SOC估算方法主要有開路電壓法、卡爾曼濾波估計算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、安時積分法、滑模觀測法等[1-2]。

1 估算方法比較

在SOC的估算方法中，開路電壓法最常用，但針對不同類型的電池，SOC和開路電壓的特性關(guān)系不同，為了估算SOC，需要準(zhǔn)確測量電池的開路電壓，電池需要被靜置很長一段時間才能被準(zhǔn)確測量，無法滿足SOC在線估計的要求[3]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC估算法需要建立數(shù)據(jù)庫，并基于大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將SOC精度提高到5%以內(nèi)。準(zhǔn)確度高,但無法實時在線估計SOC[4]。

利用卡爾曼濾波器估計電池的SOC，需要對電池內(nèi)部進行模型搭建，然后結(jié)合電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過大量實驗數(shù)據(jù)分析，提高SOC的估算精度和精確度，但該方法需要大量數(shù)據(jù)對電池模型進行建模,并且不同電池需要不同的模型來支撐，時間和資金投入巨大，使得該方法具有很好的實驗室數(shù)據(jù)，但在實際工程中應(yīng)用不多[5]。

采用安時積分法估計電池SOC，該方法原理簡單,硬件價格低，具有較高可靠性和經(jīng)濟性，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的安時積分法準(zhǔn)確性依賴于初始SOC值的估計精度，且在電流時間積分過程中，隨著電池不斷使用，也會存在累計誤差，整體SOC估計精度會隨時間而逐漸下降，出現(xiàn)SOC估算誤差逐漸積累、精度不斷下降等問題[6]。

2 修正安時積分法

采用傳統(tǒng)安時積分法估計礦用鋰離子電池SOC時，結(jié)果容易出現(xiàn)累計誤差，錯誤的SOC會導(dǎo)致BMS對電池過充過放，影響電池儲能系統(tǒng)的安全運行，大大縮短電池電芯的使用壽命，嚴重時會引起發(fā)熱爆炸。在電池充放電過程中，需要不斷對電池SOC進行估計和實時校正，以保證電池的安全可靠運行。

由于有色工礦使用的儲能電池運行環(huán)境的特殊性：(1)電池長時間放置對SOC估算造成的誤差；(2)環(huán)境溫度、電池循環(huán)次數(shù)對SOC的影響；(3)電池老化程度、放電倍率對SOC的影響。

通過對鋰離子電池特性進行研究實驗可知：電池循環(huán)次數(shù)、放電電流和環(huán)境溫度都會在不同程度上影響電池容量，電池SOC估計精度受到電池初始SOC、溫度、老化程度、充放電倍率等主要因素的影響，所以將溫度校正、老化程度校正、充放電倍率校正引入到對電池的SOC估計過程中，優(yōu)化整個估算過程，提高估算精度。

改進的電池SOC估算表達式為：

(1)

式中SOC—電池在t時刻的荷電狀態(tài)值；

SOC0—查表得到的電池初始荷電狀態(tài)值；

CN—電池的理論額定容量，kW·h；

i—即時電池電流，充電時為負，放電時為正，A。

2.1 初始計算單元估算優(yōu)化

進行電池初始SOC估計時，首先需要通過開路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)法確定電池初始SOC0，電池SOC與OCV存在對應(yīng)關(guān)系曲線，可根據(jù)OCV可通過查表方式確定電池初始荷電狀態(tài)值。

SOC0為初始時刻電池的荷電狀態(tài)，定義為剩余電量與電池總?cè)萘康谋戎?，通過電池特性實驗表明，電池循環(huán)次數(shù)和環(huán)境溫度會影響當(dāng)前的電池容量值，其中循環(huán)次數(shù)與電池的剩余壽命有關(guān)，相同條件下，電池剩余壽命與電池容量成正比。

電池容量受溫度影響也很大，電池的整體活性和化學(xué)反應(yīng)均與溫度有關(guān)。所以需增加修正系數(shù)α，對SOC0進行修正，體現(xiàn)電池循環(huán)次數(shù)和環(huán)境溫度共同作用下真實的SOC0。

校正系數(shù)定義為：電池實際容量/額定容量，對于相同規(guī)格的電池具有普適性。實際容量受溫度、老化程度和充放電倍率的影響，分別通過電池的溫度、老化程度、充放電倍率實驗曲線獲得，選用同一批次生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池，分別進行電池初始SOC測定實驗、不同溫度下的放電實驗、浮充電老化實驗和不同放電倍率下的放電實驗，根據(jù)實驗結(jié)果得到電池初始SOC和不同校正系數(shù)。

α修正系數(shù)與環(huán)境溫度和電池循環(huán)次數(shù)有關(guān)，環(huán)境溫度和電池循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系可以分別用確定的函數(shù)關(guān)系式表示，為求得兩個參數(shù)共同作用下的α，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立一個三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可得到α表達式和參考值。

2.2 積分計算單元估算優(yōu)化

針對電流積分計算部分，電池運行環(huán)境溫度、電芯老化程度、不同工況下充放電倍率對電池容量也有影響最大，需增加修正系數(shù)β，體現(xiàn)在當(dāng)前運行溫度、電芯老化程度、電池充放電倍率下，電池的修正容量值。

修正系數(shù)β對式中積分部分電池容量進行修正，與電池的溫度、老化程度、充放電倍率有關(guān)，可分別通過實驗得到修正系數(shù)β與電池的溫度、老化程度、充放電倍率關(guān)系曲線和公式。

(1)溫度校正

電池的實際容量由于運行溫度改變電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)進程進而受到影響。在運行溫度過低時，電芯中電解液黏滯度將增加，其中的帶電粒子運動阻力也會相應(yīng)增大，這樣使得電芯中的化學(xué)反應(yīng)不能充分進行，所以電池電芯的實際可用容量才會相應(yīng)下降；同理分析，隨著運行溫度升高時，電芯內(nèi)部的活化能也會增大，化學(xué)反應(yīng)更加劇烈充分，電芯內(nèi)部實際可用容量會相應(yīng)增加，但溫度升高有嚴格的限制條件。

(2)老化程度校正

隨著電池的使用，其內(nèi)部老化程度也不斷加劇，電池電芯實際容量也會逐漸衰減。電池循環(huán)充放電或長時間電能存儲靜置都是引起電池的老化主要原因，而礦用儲能電池長時間工作在浮充電狀態(tài)下，其老化由浮充電引起，老化速度介于循環(huán)充放電和長時間能量存儲引起的老化速度之間。

(3)充放電倍率校正系數(shù)

電池運行中的充放電電流越大，則電池內(nèi)部的庫倫效率越低，電池的實際可用容量越小，因此在電池充放電過程中需要實時對充放電倍率進行監(jiān)控，以保證電池容量能夠得到充分利用，并防止電池的過充過放現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 極值修正

電池SOC在0～10%和90%～100%時，SOC與OCV關(guān)系曲線的斜率較大，OCV與SOC的線性關(guān)系容易辨識，而礦用儲能電池SOC長時間處于90%以上，因此在這一階段對電池SOC進行校正更具有針對性，校正后的SOC估算表達式為：

SOCT=γSOC+(1-γ)SOC0

(2)

式中γ—修正因子，通過枚舉法確定其取值為0.82；

SOC0—通過端電壓查表所得的電池SOC。

式(2)適用于SOC≤10%或SOC≥90%時的情況，此時可用端電壓代替OCV進行校正，能夠有效提高SOC估計精度，在10%

3 結(jié)論

采用多種修正因子和實驗曲線擬合，可用于針對有色工程等使用得電池儲能系統(tǒng)的SOC估算過程進行優(yōu)化，降低SOC估算累計誤差，提高SOC估算的精度和效率，有效提高電池儲能系統(tǒng)性能，有利于電池儲能系統(tǒng)安全可靠運行。