电动汽车锂离子电池SOC估算研究

朱立宗

摘 要：电动汽车蓄电池的剩余电量用荷电状态（State of Charge，SOC）来表示。由于受蓄电池内部电化学反应，温度、放电电流电压、自放电等因素影响，在大多数的情况下很难准确估算SOC值。SOC是影响电动汽车续航里程和行驶性能的重要参数，也是电池管理系统的重点和难点之一。对电动汽车蓄电池SOC准确估计的实际应用是目前电动汽车蓄电池研究方向的热点和难点，具有广阔的发展前景。本文从电池模型选定、研究技术路线、实验的方案等方面阐述了电动汽车锂离子电池SOC估算的初步探究。

关键词：电动汽车;电池;SOC;估算

准确的荷电状态（State of Charge，SOC）值是纯电动汽车整车控制策略的重要参数，它能有效防止纯电动汽车蓄电池的过充、过放，从而使蓄电池的使用安全性和使用寿命得到提高。因此纯电动汽车电池管理系统必须向全车提供精准、及时的蓄电池soc值。蓄电池的soc值是不能通过直接检测得到，只能通过相关可检测到的参数来估算，因为这些可测参数受诸多相关条件影响，并且存在非线性特性，这会给实时估算soc值带来极大的难度。因此提高soc估算精度的关键所在就是把准确的电池模型和恰当的估算方法相结合。

1 典型的电池模型

目前应用最为广泛的电池模型是电池等效电路模型，等效电路模型不需要对电池内部的电化学反应进行深彻的分析，它是通过电路来描述电池的开路电压、直流内阻、极化内阻，实现对电池动态特性的模拟，从而便于分析电池特性和辨识模型参数。目前的各种等效电路模型可分为三种：基于内阻的电池模型、基于交流阻抗的模型、基于运行时间的电路模型。其中应用最多的是基于内阻的模型，它包括Rint等效电路模型、Thevenin等效电路模型、PNGV等效电路模型、RC等效电路模型、GNL等效电路模型等。

2 研究技术路线

（1）进行锂离子电池特性分析及soc定义修正。相关的实验和研究分别有：开路电压因素实验、充放电倍率因素实验、温度对可用容量的影响研究、循环次数对可用容量的影响研究、温度因素研究、循环寿命因素研究等。

（2）建立锂离子电池模型。在Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、RC模型以及GNL模型等电池等效电路模型基础上，分析其优缺点，最后综合实验数据和soc定义的修正因素，建立优化后的锂离子电池模型。

（3）在simulink/matlab中搭建电池模型，其中soc的计算使用安时积分法（电量累积法）。在同一时间用相同条件的电流分别施加在实际电池和电池模型上，将实体电池测得的端电压与电池模型中的端电压响应进行比较对比，验证电池模型以及模型参数的准确性。

3 整体的实验方案

（1）电压特性实验。用标准恒定电流/电压给电池完全充满电，放置大约1小时，然后测量电池的端电压。

（2）倍率放电特性实验。在室温25℃下，分别以0.1C， 0.2C， 0.5C， 1.0C， 1.5C， 2.0C放电倍率对三元锂离子电池进行恒流放电，放电截止电压为2.8V、3.0V、 3.2V、 3.4V、3.6V。

（3）温度对容量的影响研究。为了确定不同温度下，蓄电池容量的补偿系数，将同组的蓄电池分别置于-20℃、-10℃、0℃、20℃条件下。之后，0.5c放电倍率对电池进行恒流放电，测得电池的端电压与放电深度的关系。

（4）循环次数对容量的影响研究。在20℃的温度下进行重复的充放电实验，第一步，以0.5c的恒定電流对电池进行充电至至4.2V;第二步，以恒定电压对电池进行充电，直到其充电电流小于0.1C;10分钟后，将电池以0.5c的恒定电流放电至3V的截止电压;第三步，10分钟后，重复前面的充电和放电步骤。

（5）电池自放电特性实验。选择三块容量比较接近的电池进行实验，先以恒定电流充电，当电压达到预定值时转入第二阶段进行恒压充电，此时电流逐渐减小，当充电电流达到下降到零时，以蓄电池完全充满的方式将三块电池充满电后，把第一块电池在常温下放置30天，第二块电池在60℃下放置7天，第三块电池在85℃下放置4小时，放置完毕之后采用0.5c放电倍率对电池进行放电，同时测量电池荷电保持率，每块放置完毕后的电池都用3次满充满放实验测量其容量恢复率。

（6）锂离子电池模型的建立并对simulink/matlab中搭建的电池模型进行仿真分析和验证。选定模型→确定输入输出及状态变量→列写状态方程→simulink/matlab建模→通过实验进行参数辨识→根据变量（温度、SOC等）实时修正参数→仿真。

4 放电截止电压对三元锂电池正极材料性能的影响实验结果

主要研究实验的三元锂电池正极材料电化学性能在2.8V、 3.0V、3.2V、3.4V、 3.6V 下的影响，同时找出在不同的电流密度：0.1C、0.2C、0.5C、1.0C、1.5C、2.0C下最合适的放电截止电压。实验结果如下所示：

（1）电池在上述的电流密度下的最理想放电截止电压分别是：3.6v、3.4v、3.4v、 3.4v、3.4v、3.2V。此时，在300次充电和放电循环之后，电池正极材料的质变相对较小，由增加截止电压引起的电池容量损失也较小。在电流密度为1.5c的300次循环后，电池容量保持率为97.2%，放电中压保持率为99.1%。另外，对比了六组实验数据之后发现，当电流密度为1c时，电池300次循环后的电池容量保持率最低，不同放电截止电压下电池的平均容量保持率小于70%。

（2）在额定性能测试过程中，截止电压提高后，电池的容量衰减明显减小。当电流密度为2.0c时，电池的放电比容量仍高达111.6 ah/g，明显高于改进前的56.4 ah/g。

（3）随着放电截止电压的提高，蓄电池300次循环后的ΔRCT值下降了4.6倍。同时，电池正极材料能更加有效防止HF腐蚀，使材料表面的SEI膜变薄，Li+的迁移阻力减小。

（4）提高放电截止电压可以有效地提高电池的抗极化能力。此外，三元正极材料在循环过程中未见明显尖晶石化产生。

5 结论

本文初探了电池过度放电时，正极材料会产生质变的情况。但是，由于条件的限制，究竟会发生什么样的质变还有待进一步的研究，本文提出的SOC估计方法尚处于仿真阶段，不能应用于实际的电池管理系统。虽然该算法的噪声满足特殊分布，而纯电动汽车在实际工作中的噪声形式是不确定的。因此，要将其应用到实际中，还需要进一步的研究和实验。

本文系2019年度广西高校中青年教师基础能力提升项目“电动汽车锂离子电池SOC估算研究”（项目编号：2019KY1426）阶段性成果

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