徐尖峰，張穎，甄玉，曹久鶴

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基于安時積分法的電池SOC估算

徐尖峰，張穎，甄玉，曹久鶴

（燕山大學，河北 秦皇島 066000）

安時積分法是蓄電池荷電狀態(tài)估算過程中常用的方法，但是，安時積分法不能估算初始荷電狀態(tài)，難于準確測量庫倫效率和電池可用容量變化的問題?；诖藛栴}，文章結合傳統(tǒng)的開路電壓法和負載電壓法，對安時積分法估算蓄電池SOC的不足進行補償，解決了安時積分法的缺陷。能夠實時估算電池的荷電狀態(tài)，并對估算過程中的不足通過負載電壓法進行修正。結果表明，這種算法能得到了比較精確的估算效果。

安時積分法；SOC狀態(tài)估算；電池的荷電狀態(tài)

前言

隨著能源危機問題的出現，節(jié)能環(huán)保是未來汽車發(fā)展的主要方向，我國作為目前世界上最大的純電動汽車生產國與消費市場，掌握電動汽車的核心技術刻不容緩。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車電池，電機，電控三大技術的重要組成部分，肩負著實時監(jiān)控和管理電池狀態(tài)的重要任務。準確估算電池荷電狀態(tài)（SOC），對電池能量高效管理和整車性能提升有著重要的作用[1]。電池的SOCs受到開路電壓，充放電電流，溫度，自放電，充放電次數等因素的影響，使得對其估算具有較大的困難[2]。本文主要研究了鋰離子等效電路模型，并且開發(fā)出基于安時積分法，開路電壓法和負載電壓法相結合的鋰離子電池SOC估算算法[3]。并經過了放電實驗的驗證，算法可行，估算精確。

1 電池SOC估算算法的構建

電池SOC是反應電池剩余電量的重要參數，人們通常將電池的SOC作為評估電池電量的重要標志。電池的荷電狀態(tài)表示電池剩余容量占電池總容量的比值[3]。

1.1 安時積分法

安時積分法是估算電池SOC值是通過充放電過程中放電電流對時間的積分得出的電量變化值的方法。

式（1）中，K表示與溫度和充放電效率因子有關的常數；I為充放電電流；QN為標準溫度下的蓄電池容量；Kt表示與溫度有關的修正系數，η表示充放電效率因子，可由Peukert方程結合測得的兩組電池剩余電量與放電電流求得[4]。目前常用的溫度補償公式[5]為：

式（3）中，Ta為時的標準溫度，T為環(huán)境實時溫度。

1.2 開路電壓法

由于電池當前的SOC狀態(tài)和電池的開路電壓具有較好的線性對照關系。在供電開關未打開時，通過采集到的電池組兩端的開路電壓通過查表獲得電池組初始狀態(tài)的SOC值[6]。供電開關閉合后，以此時測得的SOC值為基礎，結合安時積分法估算得到的蓄電池容量變化量，實時估算隨著充放的進程中電池的SOC變化。將初始狀態(tài)電池SOC值表示為SOC0，實時SOC記作SOC。則

1.3 負載電壓法

由于蓄電池內部電阻變化不大，基于開路電壓法估算SOC的原理可以采用負載電壓法估算在蓄電池充放電過程中的實時SOC1值。當蓄電池狀態(tài)穩(wěn)定且外部負荷不變時，蓄電池的SOC值與其負載電壓呈線性關系。通過負載電壓法測得的蓄電池實時SOC值對通過安時積分法和開路電壓法估算的SOC值進行修正。減小由于積分誤差導致的SOC值估算不準確的問題。由式(1)-(3)可得：

通過負載電壓法測得的SOC1來校正式(5)求得的SOC，得到：

本文以以上三種估算方法為主，認為電池在充放電過程中電池狀態(tài)穩(wěn)定，估算電池的SOC值。在實驗過程中，以12節(jié)并聯的18650型鋰電池為測試對象，使用線性度為1000mV/A的WCS2702電流傳感器測量充放電過程中電流實時變化，通過國內某公司生產的BMU控制器實時監(jiān)控12節(jié)蓄電池的單體電壓和負載總電壓，建立相應的控制算法，實時估算電池的SOC值。

2 SOC估算控制策略建模

進行SOC估算時，需要測量電池組的開路電壓，負載電壓，充放電電流，充放電時間和環(huán)境狀態(tài)變化?；诎矔rSOC電池組荷電狀態(tài)估算流程下圖3所示。其中，WCS2702電流傳感器的工作原理為：

其中，i為電流檢測腳實際流過的電流，K為電流傳感器線性度。當電流從正向流過時V=V/2+i×K，當電流從反方向流過時V=V/2-i×K，通過Stateflow邏輯判斷算法中是執(zhí)行充電邏輯算法還是放電邏輯算法。

2.1 SOC估算建模

圖1 SOC估算狀態(tài)模型

圖2 SOC估算充放電模型

圖3 SOC充放電狀態(tài)估算流程

根據SOC的估算流程，利用Simulink搭建SOC狀態(tài)估算模型，如下圖1，2所示。其中，此時電池組是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)通過其中的Stateflow模塊進行邏輯判斷，由于所采用的電流傳感器具有雙向電流檢測功能，經過運放跟隨的模擬信號，將通過電流傳感器的電流信號轉化為傳感器信號線的電壓信號，通過信號電壓給Stateflow模塊一個觸發(fā)信號，判斷此時電池組處于何種工作狀態(tài)。此后通過其后的Switch模塊使控制策略執(zhí)行不同的控制算法。然后結合開路電壓法查表獲得的電池組初始狀態(tài)SOC值[7]實時估算充放電過程的電池組的荷電狀態(tài)。但是由于使用安時積分法進行估算時有誤差存在，且隨著時間的推移安時積分法的累計誤差不斷地擴大，因此通過測得的電池組的負載電壓對開路電壓法和安時積分法測得的電池組SOC進行校正。提高估算精度，彌補安時積分法的不足。

2.2 仿真分析

假設電池組的工作溫度為15℃，SOC放電時以0.5C的恒定電流下進行放電仿真，剛開始仿真時，電池組的開路電壓為50.4V，及SOC狀態(tài)為100%。進行充電仿真時，電池組的工作溫度同樣為15℃。SOC充電電流為1C的恒定電流進行充電仿真，SOC的初始狀態(tài)為0%。其輸出SOC狀態(tài)曲線如圖4所示。由圖可知，模型充放電SOC曲線為線性的，這是由于環(huán)境狀態(tài)設定為恒定狀態(tài)，充放電電流均為恒流狀態(tài)的原因，故本算法SOC估算算法是合理的。

圖4 恒定電流下充放電仿真結果

3 基于安時積分法的SOC估算實驗驗證

為了驗證所建立的SOC估算算法的準確性和實用性，搭建鋰離子電池充放電實驗平臺進行控制算法的驗證。整個試驗臺包括實驗電池系統(tǒng)，電池測試系統(tǒng)和SOC估算系統(tǒng)。實驗電池系統(tǒng)負責對電池組進行充放電操作，電池測試系統(tǒng)主要進行充放電過程中單體電池電壓的采集和溫度測量，開路電壓測量和負載電壓監(jiān)控以及充放電過程中電池組內單體電壓的均衡使能。SOC估算系統(tǒng)主要根據采集到的信號進行SOC估算，并將處理后的信號傳回電池測試系統(tǒng)，控制充放電的進行。

電池開路電壓的測量通過《PNGV電池實驗手冊》[6]中的HPPC實驗獲得。實驗流程為：a.用恒流0.5C限壓4.2V將蓄電池充滿。b.用1C的電流放出10%DOD電量；c.靜置1小時；d.重復以上步驟，在電流放出90%DOD處進行以下步驟；e.將電池放電到100%DOD；靜置1h。開路電壓是在不同SOC電池HPPC實驗之間擱置時間末測量得到。

電池的開路電壓與電池的放電電流，電池的工作溫度和電池的容量有關。確定完電路模型后，將電池組充分靜置，通過負載使電池組以0.5C的電流持續(xù)放電，放電5分鐘后斷開，每隔1s采集一次電池電壓值，放電結束后靜置一段時間觀察電池端電壓的變化情況。響應曲線如下圖5所示。

圖5 電池組SOC與開路電壓曲線

充電過程中，在15℃通風環(huán)境下進行，先將蓄電池充分放電，然后擱置30分鐘后以1C的恒電流充電到電池組容量的100%，測量充電時間，計算充電功率，關注總電壓，單體電壓和單體溫度的變化情況。測量結果如下圖6(a)所示。

圖6 充電仿真與實驗SOC圖

放電過程也在15℃的通風條件下進行，先對各個電池單體進行充電，然后在電池組兩端串聯兩個20Ω的電阻，使電池組進行放電過程，這放電期間，實時測量電池電壓并估算電池組的SOC狀態(tài)。對仿真實驗結果和電池充放電實驗結果進行比較，其曲線如圖6(b)所示。

由實驗分析可知，在充放電過程中，使用此種算法估算SOC其相對誤差基本都在5%以內，因此，可用此種方法比較精確的估算電池組當前狀態(tài)的SOC。

4 結論

本文基于安時積分原理，結合開路電壓法和負載電壓法，并綜合考慮充放電效率和環(huán)境狀態(tài)等因素的影響，使用三種方法綜合來估算電池組實時的SOC狀態(tài)。并搭建了電池組充放電狀態(tài)SOC狀態(tài)值的SOC估算模型，并且通過MATLAB仿真得到了充放電狀態(tài)的SOC線性曲線，從而在理論上驗證了算法的可行性。并且搭建了基于18650電池組的充放電實驗平臺，對搭建的控制算法進行了實驗驗證。實驗結果表明，對電池組荷電狀態(tài)的估算誤差基本都在5%以內，滿足估算要求。與傳統(tǒng)的安時積分法估算電池組荷電狀態(tài)相比，此種方法簡單易行且提高了估算的精度，對于測量電池組的荷電狀態(tài)具有一定的參考價值。

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[3] 鄧濤,孫歡.鋰離子電池新型SOC安時積分實時估算方法[J].重慶理工大學學報 (自然科學),2015,29(01):101-106.

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Lithium-Ion Battery SOC Estimation Based on Ahh-total Integration Method

Xu Jianfeng, Zhang Ying, Zhen Yu, Cao Jiuhe

( Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066000 )

The ampere-hour integration method is a commonly used method for estimating the state of charge of a battery. However, the ampho-hour integration method cannot estimate the initial state of charge, and it is difficult to accurately measure the coulombic efficiency and the change in available battery capacity. Based on this problem, this paper combines the traditional open-circuit voltage method and load voltage method to compensate for the lack of battery SOC estimated by the ampere-hour integration method, and solves the defect of the ampere-hour integration method. The state of charge of the battery can be estimated in real time, and the deficiency in the estimation process is corrected by the load voltage method. The results show that this algorithm can obtain more accurate estimation results.

Hourly integration method; SOC status estimation; Battery state of charge

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1671-7988(2018)18-09-04

U469.72+2

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1671-7988(2018)18-09-04

CLC NO.: U469.72+2

徐尖峰，碩士，就讀于燕山大學。研究方向：讀研期間，主要進行發(fā)動機控制策略方面的研究與進行發(fā)動機運行工況的臺架實驗標定。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.004