電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池剩余電量估算研究

李曉霖　米曉彥

摘 要：SOC是電池內(nèi)剩余電荷的可用狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確估算出電池電池剩余電量是進(jìn)行動(dòng)力電池均衡控制的基礎(chǔ)，是電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，電池SOC的估計(jì)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(duì)動(dòng)力電池模型，SOC估算方法進(jìn)行了研究，分析了各種估算方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及目前實(shí)際應(yīng)用的情況等。

關(guān)鍵詞：均衡控制；剩余電量；SOC估計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.073

1 SOC定義

電池荷電狀態(tài)是電池的重要參數(shù)，是電池內(nèi)剩余電荷的可用狀態(tài)，它表明剩余容量與總?cè)萘康谋戎?，其表達(dá)式為[1]，

（1）

其中，為電池該時(shí)刻剩余電量；為電池總?cè)萘俊?/p>

2 SOC影響因素分析

2.1 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。

2.2 溫度

電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的活性隨溫度的變化而變化，同時(shí)，溫度降低會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加；而溫度過(guò)高會(huì)減少電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)，從而導(dǎo)致喪失電池部分容量。

2.3 自放電率

電池由于其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)而普遍存在著自放電的情況。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p失部分容量，自放電率越高，損失的容量越嚴(yán)重。

2.4 老化程度

電池隨充放電次數(shù)的增加，其內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)也越來(lái)越充分，在相同條件下，電池的總?cè)萘垦杆僭黾?。?dāng)電池達(dá)到一定的充放電次數(shù)，電池的可用容量便會(huì)出現(xiàn)下降。當(dāng)電池充放電次數(shù)達(dá)到其循環(huán)壽命時(shí)，電池的可用容量開(kāi)始迅速降低。

3 動(dòng)力電池性能模型

為準(zhǔn)確估計(jì)電池SOC，需建立合適的電池模型。動(dòng)力電池性能模型一般可分為簡(jiǎn)化的電化學(xué)模型及等效電路模型等。

3.1 電化學(xué)模型

電化學(xué)模型以電化學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)電池內(nèi)部的反應(yīng)情況進(jìn)行描述。但該模型較為復(fù)雜，難以應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上，因此對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化的電化學(xué)模型。

3.2 等效電路模型

等效電路模型以電池工作原理為基礎(chǔ)，適用于多種電池。由于該模型能夠用數(shù)學(xué)模型解析表達(dá)，物理意義清晰，因此較為廣泛的應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上。常見(jiàn)的等效電路模型有內(nèi)阻模型、Thevenin模型、PNGV模型及RC模型。

（1）內(nèi)阻模型。模型包括電壓源（）及內(nèi)阻R，該模型可以反映出充放電過(guò)程中電池各變量間的關(guān)系。

（2）Thevenin模型。模型通過(guò)理想電壓源對(duì)電池開(kāi)路電壓進(jìn)行描述，通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻以及一個(gè)RC電路對(duì)電池瞬時(shí)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3） PNGV模型?！禙reedomCAR電池實(shí)驗(yàn)手寫(xiě)》也將其稱(chēng)為FreedomCAR[2]。該模型通過(guò)新增電容對(duì)開(kāi)路電壓的變化進(jìn)行描述。電池充放電過(guò)程中，由于電流的累積而引起SOC的變化，進(jìn)而導(dǎo)致了開(kāi)路電壓的變化，這都體現(xiàn)在新增電容電壓變化。

（4）RC模型。RC模型包括2個(gè)電容和3個(gè)電阻。其中一個(gè)為大電容，用以描述電池儲(chǔ)能最大容量。另一個(gè)是小電容，對(duì)電池電極的表面效應(yīng)進(jìn)行描述。三個(gè)電阻分別為端電阻、終止電阻及容性電阻。各模型對(duì)比如表1所示。

4 SOC估算方法

目前，SOC估算精度也受到越來(lái)越多的重視，常見(jiàn)的估算方法通常包括：如開(kāi)路電壓法、安時(shí)積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。這些估算方法的適用范圍各不相同，各SOC估計(jì)算法的種類(lèi)特點(diǎn)如表2所示。

放電試驗(yàn)法及線(xiàn)性模型法不適合實(shí)際應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)。若獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)路電壓法，得到的估計(jì)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而安時(shí)積分法存在無(wú)法確定初始值及誤差累積的缺點(diǎn)。目前，許多研究人員采用的是安時(shí)積分法結(jié)合開(kāi)路電壓法輔助修正初始值的方法，但還是未能較好的降低累計(jì)誤差，存在一定局限性。

5 分析總結(jié)

SOC估算是電動(dòng)汽車(chē)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而實(shí)際應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)中的SOC估算方法都是基于傳統(tǒng)方法，目前電池管理系統(tǒng)中的SOC估算技術(shù)還不夠成熟，SOC估算依舊是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。對(duì)于動(dòng)力電池電量估算大多需從以下幾方面進(jìn)行改善：

（1）進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，建立更加豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)引入更加精準(zhǔn)的電池模型，針對(duì)不同影響因素，建立出更加廣泛適用于各種類(lèi)電池的通用模型；

（2）通過(guò)提高硬件方面的技術(shù)來(lái)提高電流、電壓等的測(cè)量精度， 綜合各種估算方法，對(duì)各階段SOC值進(jìn)行校正，提高估算精度；

（3）現(xiàn)在雖然已出現(xiàn)一些較為精確的SOC估算方法，但仍都需要通過(guò)實(shí)車(chē)的驗(yàn)證，從而進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SOC的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭金春，陳全世.電動(dòng)汽車(chē)鉛酸電池充放電過(guò)程建模[J].汽車(chē)技術(shù)，1997.

[2]United State Idaho National Engineering&Environmental Laboratory.FreedomCAR Battery Test Manual for Power Assist Hybird Electric Vehicles[M/OL]，2003.

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助

作者簡(jiǎn)介：李曉霖（1990-），女，碩士研究生。