鋰離子電池SOC估算方法研究

摘 要：SOC是鋰離子電池的重要參數，其數值對預測汽車續航里程，進行能量策略管理有著重要的參考價值。但是，目前各種SOC估算方法均存在一定的缺點。本文對目前主流的SOC估算方法進行分析和對比，并對未來的SOC估算方法進行了預測。本文對鋰離子電池的SOC估算具有一定的參考價值。

關鍵詞：鋰離子電池;SOC;參考價值

鋰離子電池的SOC是進行動力電池充放電控制、預測汽車續航里程和進行車輛能量策略管理的重要依據。長期以來，開路電壓一直是估算鉛酸電池SOC的主要參考值，但是鋰離子電池存在電壓平臺期，如果通過電壓值進行估算，需要具有足夠高的電壓采樣精度，也就對電池管理系統硬件和軟件設計提出了更高的要求。

伴隨著鋰離子電池在新能源汽車，尤其是純電動汽車上的廣泛應用，SOC估算的重要性越來越高，無數研究者探索使用各種方法進行SOC的估算研究，SOC的估算方法層出不窮。在這種情況下，開展SOC估算方法的對比研究就顯得尤為重要了。

1 當前主流的SOC估算方法

1.1 安培時間積分法

SOC以容量為依據進行計算，而容量的數值為電流在時間上的積分，因此安培時間積分法是估算SOC較為常用的方法。

顧名思義，安培時間積分法的應用方法為實時監測鋰離子電池的充放電電流，然后在時域上積分即可。

安培時間積分法當前已經商用的電池管理系統（BMS）中應用最為廣泛的方法，該方法實現相對簡單，可操作性強，只需要配備電流傳感器和采樣電路即可。同時，安時積分法不涉及到鋰離子電池復雜的反應原理，將鋰離子電池視為一個黑箱，無需描述其復雜的電極反應全過程[1]，只關注電化學系統的外部特征即可。

不過，安培時間積分法需要長時間對電池的電流數據進行監測和記錄，對電流傳感器的精度要求較高。如果電流采集的誤差較大，SOC的估算誤差會隨著時間的延長而累積。同時，由于SOC會受到鋰離子電池工作溫度、充放電電流、充放電深度的影響，安培時間積分法需要根據這些因素實時修正。

1.2 開路電壓法

開路電壓為電池沒有外接負載時的電壓。一般來說，電池的開路電壓與其SOC之間存在一定的關系，例如，鉛酸電池的開路電壓與SOC可以近似看作線性關系。但是對于鋰離子電池而言，開路電壓與SOC之間的關系線性度相對較差，在其充電開始階段和結束階段匹配較好，在電壓平臺階段可以作為SOC估算的參考。

開路電壓法需要離線測量，也就是需要在鋰離子電池沒有接入任何負載的情況下測量。因此，在電動汽車的實際運行過程中，無法使用該方法進行測量。此外，并非只要未接入負載即是開路電壓。開路電壓需要電池在斷開負載后，長時間靜置。一般來說電池從放完電到電壓穩定一般需要幾個小時的時間，這就給開路電壓法的應用帶來了極大的困難。

1.3 神經網絡算法

神經網絡算法是目前在科研領域較為常用的SOC估算方法。神經網絡算法模擬人類或者動物的自我學習的過程，無需關注電池內部的結構及工作原理，僅將與電池SOC相關的電流、溫度、電壓、內阻等數據導入神經網絡的輸入，將已知的SOC數值，作為神經網絡的輸出，對神經網絡進行大量的訓練，幫助神經網絡形成內部的邏輯關系和權重數值，在有新的電流、電壓、溫度、電阻數據輸入的時候，就可以自動進行計算，得到較為準確地SOC估算值[2]。

1.4 電化學阻抗譜（EIS）法

電化學阻抗譜算法簡稱EIS，是目前測量電池內阻的主流方法，由于電池內阻與SOC之間存在一定的關系，因此可以用于估算電池SOC。與神經網絡算法類似，電化學阻抗譜算法也不需要關注鋰離子電池內部的電化學反應過程，僅僅將鋰離子電池作為一個黑箱，想鋰離子電池輸入一個小幅值信號，通過響應信號與輸入信號的關系，判斷鋰離子電池內部的等效電路，并計算其數值得到電池內阻，作為SOC估算的依據[3]。

2 各種SOC估算方法的對比

通過對目前主流的SOC估算方法進行分析，發現安培時間積分法誤差較大，開路電壓法不適用與鋰離子電池，神經網絡算法需要大量的歷史數據進行訓練，電化學阻抗譜算法需要依托額外的設備。

總之，當前存在的各種SOC估算方法均存在一定的缺點，目前的趨勢是將各種算法相結合，充分利用各種方法的優點。

參考文獻：

[1]施王影，賈川，張永亮等.固體氧化物燃料電池電化學阻抗譜差異化研究方法和分解[J].物理化學學報，2019，35（05）：509-516.

[2]胡康，周友元，陳威等.鈮摻雜對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極材料結構和電化學性能的影響[J].礦冶工程，2019，39（03）：110-112.

[3]彭美勛，沈湘黔，王零森等.球形Ni（OH）2電極的電化學阻抗研究[J].礦冶工程，2005，25（01）：40-43.

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（18C1465）

作者簡介：劉騫（1986-），男，河北人，碩士，講師，研究方向：鋰離子電池。