電動汽車動力電池剩余電量估算研究

黃 蕾

國網江西省電力公司南昌供電分公司

電動汽車動力電池剩余電量估算研究

黃 蕾

國網江西省電力公司南昌供電分公司

SOC是電池內剩余電荷的可用狀態，能夠準確估算出電池電池剩余電量是進行動力電池均衡控制的基礎，是電動汽車電池管理系統中的關鍵技術，電池SOC的估計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。本文對動力電池模型，SOC估算方法進行了研究，分析了各種估算方法的原理、優缺點及目前實際應用的情況等。

均衡控制；剩余電量；SOC估計

前言

為了解決全球性的石油資源緊缺與氣候環境不斷惡化的問題，電動汽車以其獨特的節能環保優勢成為未來交通工具的首選。而動力電池作為電動汽車的關鍵技術，對荷電狀態(stateofcharge，SOC)進行準確的估計和監測，從安全性和電池使用效率來看都至關重要。

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

電池內部化學物質的活性隨溫度的變化而變化，同時，溫度降低會導致電池內阻增加；而溫度過高會減少電池內部的化學物質，從而導致喪失電池部分容量。

1.3 自放電率

電池由于其內部的化學反應而普遍存在著自放電的情況。該現象會導致電池損失部分容量，自放電率越高，損失的容量越嚴重。

1.4 老化程度

電池隨充放電次數的增加，其內部的化學物質反應也越來越充分，在相同條件下，電池的總容量迅速增加。當電池達到一定的充放電次數，電池的可用容量便會出現下降。當電池充放電次數達到其循環壽命時，電池的可用容量開始迅速降低。

2 、SOC估算方法

2.1 放電實驗法

放電實驗法是最可靠的SOC估算方法，其原理為，采用恒定電流進行連續放電，放電電流與時間的乘積即為剩余電量。

但它存在兩個顯著缺點，首先，實現整個過程需要大量時間；其次，電池進行的工作必須要中斷，不適合行駛中的電動汽車，不能在線對SOC進行測量。

放電實驗法適用于所有電池，在實驗室中經常使用，一般作為實驗室檢驗所選SOC算法精確度的標準，同時還用于研究電池的充放電特性和用于電池檢修維護。

2.2 Ah積分法

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

式中：為額定容量；為電池電流；濁為充放電效率。

Ah積分法沒有從電池內部解決電量與電池狀態的關系，只是從外部記錄進出電池的能量，不可避免地使電量的計量可能因為電池狀態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。同時電流測量不準也將造成SOC估算誤差，長期積累，誤差越來越大。另外，初始時刻的SOC0由于電池存在自放電現象也將影響SOC估算結果。所以要提高Ah法的精度，就必須對這些因素有較好的處理方法。

在實際應用中，Ah積分法適用于所有的電動汽車，一般作為估算SOC的基礎，常常與其它方法結合使用，從而提高SOC的估算精度。

2.3 開路電壓法

路電壓法認為電池開路電壓和SOC存在固定而準確的關系。準確的開路電壓值要求電池斷開一個小時以上，以使其內部處于穩定狀態，因此該方法不能用于動態估算電池的SOC。

開路電壓法在電池充放電的初期和末期測量結果較準確，因而可以與安時積分法結合使用。中國海洋大學的周亞楠根據電池斷電時間及其上電時的開路電壓，修正當前初始狀態的SOC值，提高了安時積分法的估算精度。河南科技大學的田曉輝等人根據電池的開路電壓及電池所處的狀態，對安時積分法的計算公式進行修正，解決了SOC初始值不確定、循環充放電次數對電池容量有影響等問題。大連交通大學的曾潔等人提出，通過實驗獲取電池靜止狀態的開路電壓(OCV)與對應的初始SOC值，然后基于多項式回歸分析法擬合出OCV-SOC曲線方程，解決了安時積分法初始SOC不確定的難題。

2.4 測量內阻法

內阻法是根據蓄電池的內阻與SOC之間的聯系來預測SOC。電池內阻有交流內阻(常稱交流阻抗)和直流內阻之分，它們都與SOC有密切關系。

電池交流阻抗是電池電壓與電流之間的傳遞函數，要用交流阻抗儀來測量。電池交流阻抗受溫度影響大，交流阻抗測量是在電池處于靜置后的開路狀態，還是在電池充放電過程中進行，存在爭議，所以很少用于實車上。

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

在實際應用中，測量內阻法適用于放電后期對電池SOC的估計，一般與Ah積分法結合使用。

3 、結束語

在實際的電動汽車中用于估算SOC的方法都是基于傳統方法，即在Ah積分的基礎上加入一些影響因子的校正，其缺點是SOC的估算結果存在很大的誤差，目前應用于電池管理系統的SOC估算技術還不是很成熟，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實時在線、高精度估計的要求。

未來SOC估算方法的研究，必將從四個方面進行完善：首先，通過大量實驗，建立豐富的數據庫，使得SOC估算有據可依，有據可查；其次，依靠硬件方面的技術，提高電流、電壓等的測量精度，保證用于估算SOC的基本數據的準確性；第三，引入準確的電池模型，更真實地表征電池在使用過程中的動態特性；最后，綜合各種算法，揚長補短，對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下的誤差，提高其估算精度。

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