重庆理工大学学报响ＳＯＣ值很难直接由电池本身得到只能通过其件下可以通过检测电池两端的开路电压得到电影响因素间接推算出来而这些影响因素又是随池的初始容量ＳＯＣ则着电池使用情况变化的中间存在许多不确定因ＳＯＣＵｍ素因此为动力电池ＳＯＣ实时估算带来巨大的困式中Ｕ为电池开

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纱窦
5 years ago
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1 第卷第期重庆理工大学学报自然科学年月ＪＪＣｑＵＴＮＳＶＮｊｚ锂离子电池新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法邓涛孙欢重庆交通大学机电与汽车工程学院重庆摘要为了准确估算锂离子电池荷电状态ＳＯＣ结合传统安时积分法开路电压法及负载电压法综合考虑充放电效率温度等因素的补偿措施提出一种新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法建立ＳＯＣ实时估算仿真模型并搭建锂离子电池充放电试验平台进行ＳＯＣ实时估算方法验证仿真与试验对比分析结果表明ＳＯＣ误差值的偏差在以内说明新型安时积分实时估算法具有理论上的可行性估算方法精确度较高可为电池ＳＯＣ实时估算和检测提供重要的参考关键词电动汽车电池荷电状态实时安时估算方法中图分类号ＵＴＭ文献标识码Ａ文章编号ＲＲＴｍｅｍＭＮｗｓｏｃＡｍＨＩＬｍＩＢＤＥＮＧＴＳＵＮＨＳＭＡｍＥＣｑＪＵＣｑＣＡｂＩｍｍｂＳＯＣＳＯＣｍｍｍｍｗｂｍｍｍｍｗｍｍｍＴｍｂｍｗＳＯＣｍＴｍｘｍｗｍｗＳＯＣｗｍｂＳＯＣｍｍｍＫｗＳＯＣｗｍｍｍｍ电池荷电状态ＳＯＣ估算作为企业科研院所关注的热点由于在实际估动力电池技术研究的一个核心关键问题已经成为算时受到诸如电压电流温度内阻等因素的影收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目中国博士后科学基金资助项目Ｍ重庆市基础与前沿研究计划项目ｊｊＡ重庆市教委科学技术研究项目ＫＪ作者简介邓涛男博士副教授主要从事混合动力电池汽车控制研究引用格式邓涛孙欢锂离子电池新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法重庆理工大学学报自然科学版ＣｍＤＥＮＧＴＳＵＮＨＲＲＴｍｅｍＭＮｗｓＯＣＡｍＨＩＪＣｑＵＴＮＳＬｍｉＢ

2 重庆理工大学学报响ＳＯＣ值很难直接由电池本身得到只能通过其件下可以通过检测电池两端的开路电压得到电影响因素间接推算出来而这些影响因素又是随池的初始容量ＳＯＣ则着电池使用情况变化的中间存在许多不确定因ＳＯＣＵｍ素因此为动力电池ＳＯＣ实时估算带来巨大的困式中Ｕ为电池开路电压ｍ和为系数难如何确定一种精确且能实时估算ＳＯＣ的方法安时积分法结合开路电压法成为电池技术的一个难点当前已有的诸多传统ＳＯＣ估算方法都存在精确度不高等不同程度的缺结合开路电压法和安时积分法估算ＳＯＣ则有陷一些先进的ＳＯＣ估算方法虽能保证精确度但ＳＯＣＳＯＣＫＩＱＮ运算量大对硬件要求较高导致成本成倍增加式中ＱＮ为电池的额定容量Ｉ为充放电电流所以企业的研发热情较低传统的开路电压法很难单独进行ＳＯＣ动态估算但是可以较精确地得到电池初始ＳＯＣ状态充电时电流为负值放电时电流为正值Ｋ为与温度和充放电效率因子有关的常数安时积分法虽然能实时估算电池ＳＯＣ但是很难ＫＫ η 精确得到电池初始ＳＯＣ状态因此考虑将开路电其中Ｋ为温度修正系数 η为充放电效率因子压法与安时积分法结合起来前者用于估算ＳＯＣｋ方程求得可以由Ｐ初始状态后者用于ＳＯＣ实时估算在电池放电Ｋ的确定过程中由于内阻的存在负载电压和开路电压必目前常用的温度补偿公式为ＫＴＴ定不相等在放电过程中可以用负载电压法估算出ＳＯＣ用于修正开路电压法和安时积分法得到的式中Ｔ为标准温度Ｔ为设定温度ＳＯＣ这使得估算结果更加精确基于此本文提 η的确定出一种将安时积分法开路电压法负载电压法由Ｐｋ方程可得可用电量与放电电流存种方法结合起来综合考虑对充放电效率温度等在的关系公式为因素的补偿措施的新型安时积分法来估算动力电ＫＡＩ池ＳＯＣ该方法对硬件要求较低但估算精度较式中Ｉ为放电电流Ａ为与活性物质有关的电ＯＣ估算需求的情况下节约了成本高在满足Ｓ池常数只要初始条件相同则Ａ和是相同的所以ＱＮＩＩ η ＱＮ新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法式中Ｉ就Ｎ为额定电流只要测出两组Ｑ和Ｉ动力电池ＳＯＣ是反映电池剩余电量的一个重可以求出Ａ和为与电池结构特别是极板厚度要参数通常人们通过电量来定义电池的ＳＯＣ有关的常数其值为Ｐｋ方程电池的荷电状态是电池剩余容量占电池容量的表明放电电流越大电池容量越小当电池电流很比值小时就不适用了但是本文是锂离子电池放电ＳＯＣＱＱＮ式中Ｑ为电池的消耗电量ＱＮ为电池额定容量开路电压法锂离子电池在其性能完全稳定时它的荷电电流一般比较大所以Ｐｋ方程适用负载电压法基于采用开路电压估算ＳＯＣ的方法可以采用负载电压法来估算ＳＯＣ其原理如图所示在电池组内阻和电流已知的情况下求出负载两端状态与它的开路电压在一定范围内有线性关系的电压此时的负载电压在电池性能稳定时同样而且这种线性关系受到温度和电池老化因素的影与它的荷电状态呈一定的线性关系此方法在理响很小所以在电池开始充放电时在满足一定条ＯＣ的缺论上弥补了开路电压法不能实时估测Ｓ

3 邓涛等锂离子电池新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法点因此当电池处于放电状态时可以通过其负载且输出的下面部分是通过安时积分法建立端电压来估算电池的ＳＯＣ当放电超过一定时的输入变量为电流通过积分计算出ＳＯＣ并且ＯＣ来校正前面用安间时可以用端电压预测的Ｓ输出时积分法结合开路电压法求得的ＳＯＣ图负载电压法原理新型安时积分实时估算ＳＯＣ由式和可得ＳＯＣＳＯＣＫＩＩＱＮＮ式是安时积分法结合开路电压法再考虑温度图ＳＯＣ放电估算流程和充放电效率估算出的电池荷电状态而由本文可知可用负载电压法预测得的ＳＯＣ来校正式ＯＣ从而得到最后结果求得的ＳＳＯＣＳＯＣＳＯＣ本文以安时积分法开路电压法负载电压法结合为主并且综合考虑对充放电效率温度等因素的补偿措施来估算电荷状态此方案实验阶段需要测量的参数有开路电压负载电压恒定充放电电流充放电时间温度而在实际使用中需要测量的参数有开路电压负载电压动态电流温图ＳＯＣ充电估算流程度新型ＳＯＣ安时积分实时估算流程如图和图所示ＳＯＣ估算放电模型如图所示其中左边同充电模型相同右边是根据负载电压与新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法建模ＳＯＣ关系曲线构造的经验公式建立通过负载电仿真压得到电池ＳＯＣ对左边求得的ＳＯＣ做一个简单的修正ＳＯＣ估算建模根据ＳＯＣ估算流程利用Ｓｍｋ工具包分别建立了ＳＯＣ估算充放电模型仿真分析假设电池的工作温度为ＳＯＣ充放电模型分别在Ｃ的恒定电流下进行充放电仿真其ＳＯＣ估算充电模型如图所示其中的输出ＳＯＣ曲线如图所示由图中可以看出该上面部分是根据开路电压与ＳＯＣ关系曲线构造的模型充放电输出的ＳＯＣ曲线都为线性的这是因经验公式建立的通过开路电压得到电池ＳＯＣ并为进行ＳＯＣ仿真时将温度和充放电电流设为定

4 重庆理工大学学报值该线性ＳＯＣ曲线是符合本文估算方法的但线应该是波动的因此仿真曲线必定和实际实验是电池实际工作过程中ＳＯＣ的估算受到电流温曲线不同即仿真结果和实际结果存在一定误差ＯＣ曲度内阻电压等因素影响电池实际工作Ｓ图电池充电ＳＯＣ估算模型图电池放电ＳＯＣ估算模型新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法试验为验证提出的新型ＳＯＣ安时积分实时估算方法的准确性和实用性搭建锂离子电池充电实验平台进行ＳＯＣ估算方法验证实验整个实验台包括电池测试系统实验电池系统数据采集系统图Ｃ恒定电流下充放电仿真结果等锂离子电池实验台负责给动力电池充电以及

邓涛, 等 : 锂离子电池新型 SOC 安时积分实时估算方法 105 吸收电池放出的能量锂离子电池实验台采集的电池数据通过 RS485 上传到控制计算机 [13-15] 实验台布置如图 7 所示电流放电至电池组容量为 30%, 搁置 30min, 再以 1C

电池的开路电压特性通过 PNGV 电池试验手册 [11-12] 中的 HPPC 实验获得实验方法如下 :1 用恒流 0.5C 限压 3.

实验之间的搁置时间末测量得到开路电压的特性是指电池开路电压与放电电流电池工作温度和电池容量的函数关系这种函数关系可表示如下 [13] : U =f(soc,i,t) (10) 充电实验 : 在 25 通风环境条件下, 以 1C 恒电流放电至电池组容量为 30%,

图 9 电池充电电压电流通过电池充放电实验采集到充放电过程中的电流电压, 计算得到电池 SOC 并绘制其与时间关系的 SOC 曲线对比分析仿真和实验结果, 可得充放电 SOC 随时间变化的曲线, 如图 10 所示图 10 电池放电电压

5 邓涛, 等 : 锂离子电池新型 SOC 安时积分实时估算方法 105 吸收电池放出的能量锂离子电池实验台采集的电池数据通过 RS485 上传到控制计算机 [13-15] 实验台布置如图 7 所示电流放电至电池组容量为 30%, 搁置 30min, 再以 1C 电流进行恒电流充电到电池组容量为 100%, 搁置 30min, 然后以 1C 电流进行恒电流放电到电池组容量为 30%, 测量充电时间, 计算充电功率, 并重点关注总电压总电流电池模块电压电池温度等结果如图 9 所示图 7 锂离子电池充放电实验台电池的开路电压特性通过 PNGV 电池试验手册 [11-12] 中的 HPPC 实验获得实验方法如下 :1 用恒流 0.5C 限压 3.6V 将电池充满 ;2 用 1C 电流放出 10% DOD 的电量 ;3 静置 1h;4 重复步骤 1 ~3, 在电流放出 90% DOD 处进行最后实验 ;5 将电池放置到 100% DOD;6 静置 1h 开路电压是在不同 SOC 电池 HPPC 实验之间的搁置时间末测量得到开路电压的特性是指电池开路电压与放电电流电池工作温度和电池容量的函数关系这种函数关系可表示如下 [13] : U =f(soc,i,t) (10) 充电实验 : 在 25 通风环境条件下, 以 1C 恒电流放电至电池组容量为 30%, 搁置 30min, 分别以 1C 恒电流充电到电池组容量为 100% 测量充电时间, 计算充电功率, 并重点关注总电压总电流电池模块电压和电池温度等结果如图 8 所示图 8 锂电池单体 SOC 与开路电压曲线放电实验 : 在 25 通风环境条件下, 以 1C 恒图 9 电池充电电压电流通过电池充放电实验采集到充放电过程中的电流电压, 计算得到电池 SOC 并绘制其与时间关系的 SOC 曲线对比分析仿真和实验结果, 可得充放电 SOC 随时间变化的曲线, 如图 10 所示图 10 电池放电电压电流对仿真实验结果和电池充放电实验结果进行比较, 可以计算出利用新型实时安时积分法估算的电池 SOC 的相对误差, 计算公式为相对误差 = SOC 仿真 -SOC 实验 100% (10) SOC 实验通过计算得到的相对误差可以绘制出新型安时积分法估算 SOC 的相对误差曲线, 如图 11 和 12 所示由 SOC 相对误差曲线可见 : 在充电过程中, SOC 在 30% ~50%, 相对误差变化较大, 但是也基本保持在 3% 以内 ;SOC 在 50% ~95%, 其相对误

重庆理工大学学报差基本在以内放电过程其ＳＯＣ变化也基何代杰王泽京李庆东等微型纯电动汽车电池管本在以内图表明新型实时安时积分可理系统的设计与研究西南大学学报自然科学以较精确地估算出电池当前的ＳＯＣ状态版赵国才周莎重庆市电动汽车商业运行模式重庆理工大学学报自然科学赵孟娜米林冯勇基于神经网络的二次开发电动汽车电池ＳＯＣ测试软件设计

6 重庆理工大学学报差基本在以内放电过程其ＳＯＣ变化也基何代杰王泽京李庆东等微型纯电动汽车电池管本在以内图表明新型实时安时积分可理系统的设计与研究西南大学学报自然科学以较精确地估算出电池当前的ＳＯＣ状态版赵国才周莎重庆市电动汽车商业运行模式重庆理工大学学报自然科学赵孟娜米林冯勇基于神经网络的二次开发电动汽车电池ＳＯＣ测试软件设计四川兵工学报仝瑞军张志国张泱渊一种新型纯电动城市客车锂电池组的ＰＡＣＫ及管理客车技术与研究曹贵华陈智家王卓镍氢动力电池ＳＯＣ估算方法汽车工程师图充放电输出仿真与实验所得ＳＯＣ曲线李司光张承宁锂离子电池荷电状态预测方法研究北京理工大学学报ＯＭＷＭＫＳＤＥＬｘｍｋＪＥｍＳＡＡＸＨＦＳＹＺＣｍｂｗｗｍｂｍＬｂＳＯＣｍＳｍＭＰＴ图ＳＯＣ相对误差曲线结束语本文根据传统安时积分法开路电压法及负载电压法综合考虑充放电效率温度等因素的补偿措施提出了一种新型实时安时积分法来估算ＹＨＸＴＬＣＢＺＡｗｍＯＣｍｗＬＳＣＳｂＡＥ吴友字肖婷雷冬波电动汽车用动力镍氢电池ＳＯＣ建模与仿真武汉理工大学学报ＭｘＺＤｍｍＬ动力电池ＳＯＣ搭建了ＳＯＣ充放电仿真模型通ｂＺＳＩＣＩＥＡ过仿真得到了充放电ＳＯＣ线性曲线从理论上验证了该方法的可行性搭建了锂离子电池充放电实验平台对动力电池进行了充放电实验记录充放电过程的电压电流等信息计算出不同时段的ＳＯＣ值并且绘制出充放电ＳＯＣ曲线通过仿真结胡建军税江秦大同等混合动力电动汽车ＮＩＭＨ电池放电性能试验分析重庆大学学报胡明辉秦大同混合动力汽车镍氢电池组的充放电效率分析重庆大学学报果和实验结果的对比计算出ＳＯＣ相对误差并绘ＡＢＥＢｍＩｂ制曲线表明其误差偏差基本在以内证明了ＤｍＥＮ新型实时安时积分法具有较高的精确度Ｌｂ蒋新华锂离子电池组管理系统研究Ｄ上海中国科学院上海微系统与信息技术研究所参考文献ＳＮＹＫＴｍＢＡｋｍｂＪＳＡＥＲｗ胡林谷正气黄晶等电动汽车的关键技术分析机械制造责任编辑刘舸

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第卷第期年月半导体学报! # $%&'%' $!&' #% #$1 /#1 $'! / ?/ ?/ / 3 0,?/ ) * +!!! '!,!! -. & ' $! '! 4% %&1)/1(7%&)03 (% ) 第卷第期年月!"# $%&'%' $!&'#%#$1/#1 $'! /18103 2?/03101?/18103 /3 0,?/0301.13 )*+!!! '!,!! -.&' $!'! 4%%&1)/1(7%&)03(%)%&,%*(1&0)%$-0*,%30)17*1*)0(+1(1+&1*+*),)1; &113(%44(10&.0701&0-&00*/)%;()1%-1+%&0)0*1*)%