鋰電池荷電狀態在線估計優化方法

劉志豪

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

電池荷電狀態(State of Charge，SOC)為電池當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(Battery Management System，BMS)的主要參數，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航里程，其精確估計是電池管理系統主要功能得以實現的前提。目前SOC估算方法主要有開路電壓法、卡爾曼濾波估計算法、人工神經網絡、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系不同，為了估算SOC，需要準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確測量，無法滿足SOC在線估計的要求[3]。

人工神經網絡SOC估算法需要建立數據庫，并基于大量訓練數據，將SOC精度提高到5%以內。準確度高,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，需要對電池內部進行模型搭建，然后結合電池的內部結構，通過大量實驗數據分析，提高SOC的估算精度和精確度，但該方法需要大量數據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據，但在實際工程中應用不多[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濟性，在實際工程中得到了廣泛應用，但傳統的安時積分法準確性依賴于初始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

采用傳統安時積分法估計礦用鋰離子電池SOC時，結果容易出現累計誤差，錯誤的SOC會導致BMS對電池過充過放，影響電池儲能系統的安全運行，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境的特殊性：(1)電池長時間放置對SOC估算造成的誤差；(2)環境溫度、電池循環次數對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：電池循環次數、放電電流和環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時刻的荷電狀態值；

SOC0—查表得到的電池初始荷電狀態值；

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存在對應關系曲線，可根據OCV可通過查表方式確定電池初始荷電狀態值。

SOC0為初始時刻電池的荷電狀態，定義為剩余電量與電池總容量的比值，通過電池特性實驗表明，電池循環次數和環境溫度會影響當前的電池容量值，其中循環次數與電池的剩余壽命有關，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反應均與溫度有關。所以需增加修正系數α，對SOC0進行修正，體現電池循環次數和環境溫度共同作用下真實的SOC0。

校正系數定義為：電池實際容量/額定容量，對于相同規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，選用同一批次生產的標準鋰離子電池，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，根據實驗結果得到電池初始SOC和不同校正系數。

α修正系數與環境溫度和電池循環次數有關，環境溫度和電池循環次數與電池容量的關系可以分別用確定的函數關系式表示，為求得兩個參數共同作用下的α，采用BP神經網絡算法，建立一個三層BP神經網絡，可得到α表達式和參考值。

2.2 積分計算單元估算優化

針對電流積分計算部分，電池運行環境溫度、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β，體現在當前運行溫度、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，可分別通過實驗得到修正系數β與電池的溫度、老化程度、充放電倍率關系曲線和公式。

(1)溫度校正

電池的實際容量由于運行溫度改變電池內部的化學反應進程進而受到影響。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增大，這樣使得電芯中的化學反應不能充分進行，所以電池電芯的實際可用容量才會相應下降；同理分析，隨著運行溫度升高時，電芯內部的活化能也會增大，化學反應更加劇烈充分，電芯內部實際可用容量會相應增加，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下，其老化由浮充電引起，老化速度介于循環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

電池運行中的充放電電流越大，則電池內部的庫倫效率越低，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象發生。

2.3 極值修正

電池SOC在0～10%和90%～100%時，SOC與OCV關系曲線的斜率較大，OCV與SOC的線性關系容易辨識，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的SOC估算過程進行優化，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性能，有利于電池儲能系統安全可靠運行。