第31卷 第1期 电 池 Vol.31,No.120012BATTERYBIMONTHLYFeb.,2001
变电流下的电池荷电状态定义方法探讨
麻友良1,陈全世2,朱 元2
(11武汉科技大学,湖北 武汉430070;21,摘要:铅酸电池的荷电状态(SOC)的测量和估计,SOC定义所存在的问题,SOC定义不适应变电流放电情况的原因,。关键词:荷电状态;放电容量;;中图分类号:TM91211:1001-1579(2001)01-0007-03
RonthedefinitionofSOCofbatteries
intheconditionofchangingcurrents
MAYou2liang1,CHENQuan2shi2,ZHUYuan2
(1.WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430070,China;
2.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:Itwasveryimportanceforthebatterymanagementsysteminelectricvehiclestomeasureandestimatethestateofcharge
(SOC)oflead-acidbatteries.It’sfortheprevailingmethodtoachievetheSOCofbatteriesandpointedoutthedisadvantageofthismethod.Theinfluencefactorsoflead-acidbatteriesdischargecapacityweredividedintotwogroups.Onegroupwasrenewablefactorsandanothergroupwasunrenewablefactors.ThereforetheoriginaldefinitionofSOCwasnotapplicableforchangingdischargecurrents,butanewdefinitionoftheSOCanditscalculatingmodelbasedontheempiricaldataintheconditionofchangingdischargecurrents.
Keywords:stateofcharge(SOC);dischargecapacity;influencefactor;lead-acidbattery
前言
电池是电动汽车的能量来源,电动汽车电池管理系统对电池实施管理和控制的重要前提是能准确和可靠地获得电池现存的容量状态参数。电池管理系统要依据现时的电池容量决定是否进行限定电池最大放电电流控制和预测电动汽车的续驶里程、根据各只电池容量的不同程度识别电池组中各电池间的性能差异,并依此作出均衡充电控制和电池是否损坏的判断,确保电池组性能良好,能延长电池寿命。
由于使用中电池容量受许多不确定性因素影响,如何根据可测的电池参数对现存电池容量状态作出准确、可靠的估计,一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力研究的课题。到目前为止,已有多种计算模型,并有了实际应用。目作者简介:
前,国内外较为普遍地采用了电池的荷电状态(Stateofcharge简称SOC)这一电池容量状态描述参数,并出现了多种获得SOC估计值的方法,但是,对SOC的定义和理解却有不同。本文在实验的基础上对目前流行的SOC定义在变电流放电工况下所存在的问题进行分析,并根据各种影响电池容量因素在电池变电流放电工况下所表现出的不同特点,对SOC予以新的定义,以求对SOC的正确理解和应用。
1 对电池容量和SOC定义的理解和分析
111 电池容量的影响因素分类
电池容量的影响因素很多且关系复杂,从电池的内部结构、放电机理及所表现的特征分析,我们把影响电池容量的因素分为可恢复性影响因素和不可恢复性影响因素两类:
麻友良(1956-),男,浙江德清人,武汉科技大学副教授,主要从事汽车电器及电动汽车的研究;陈全世(1945-),男,陕西西安人,清华大学教授,汽车安全与节能国家重点实验室副主任,联系人,
E-mail:[email protected];
朱 元(1976-),男,江苏南通人,清华大学博士生,主要从事电动汽车电池管理系统的研究。基金项目:汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(39915009)
a1可恢复性影响因素,放电电流、温度、电解液的密度等影
8
电 池
响因素造成电池容量下降是因为在电流大、温度低、电解液密度过高时,电池极板内层的活性物质没有被充分利用,如果在电池的一个完全放电过程中,其影响因素的条件值向影响小的方向改变,比如,放电电流从大电流放电改为小电流放电、温度升高等,电解液能有时间向极板内层渗透,使极板内层原未被利用的活性物质又参加电化学反应,电池容量就会回升。
b1不可恢复性影响因素,如电池极板硫酸盐化、活性物质
脱落、板栅腐蚀及自放电等影响因素使极板上的有效的活性物质总量减少了,放电条件的改变而恢复的。
112 对SOC定义的分析
-voltageintheendofdischargeat
constantcurrents
在变电流放电工况下,定义虽然考虑了各个阶段放电电流不同的情况,但将表示不同恒流放电过程的SOC值算术相加值是无意义的,并且也会出现矛盾的结果。以两个简单的变电流放电过程为例:一是电池先以大电流放电,并放电至接近电池所能放出的电量,即SOC≈0,接着以较小的电流放电,在其允许的范围内又可以放出一定的电量,这时按定义就会出现SOC
,其数值上:
SOC=QC/C1
式中:QC-电池剩余的容量;
C1-电池以恒定电流I放电时所具有的容量
如果将电池充满电状态定为SOC=1,则定义可表示为:
SOC=1-Q/C1
该恒定放电电流下可放出容量的60%～70%,按定义可得到
SOC值为014～013的估计值,但这时如果以某一大电流放电,
式中:Q-为电池已放出的电量。
在变电流工况,定义将放电过程细分为若干个Δt,就有:
)SOC=1-Σij-1△t/Cij-1(θ
当电池电压急剧下降至其终止电压时,放出的电量几乎为0,即电池表现为SOC≈0,与按定义得到结果相矛盾。显然,在变电流情况下,上述SOC定义出现了不适应性,其原因是定义未将电流、温度等影响电池容量因素具有可恢复性考虑在内。
式中:ij-1-t=tj-1时刻的放电电流;
)-当电池充满电时,在θ温度下,以ij-1的Cij-1(θ
恒流放电所具有的容量。
此定义以电池在某一指定的恒流放电所具有的容量为比较基准,显然也只能描述指定恒流放电工况的电池荷电状态,否则就可能会出现矛盾的结果,比如,一个充满电(SOC=1)的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压,放出了该恒流放电所能放出的电量,按定义得到了SOC=0的结论,但如果再以较小的电流放电,则电池又能继续放电,表现出SOC≠0,即定义出现了相互矛盾。图1和表1是我们为验证上述分析而做的电池放电试验结果。
表1 不同电流恒流放电容量与10A电流续放电量
Table.1 Constantcurrentchargecapacityofdifferentcurrent
andcontinuouschargecapacityat10A
恒流放电电流/A以各恒流放电至终止电压时的放电量/Ah继续以10A恒流放电所放出的电量/Ah
总放电量/Ah
[***********]76
[***********]07
[***********]47
[***********]6
[***********]6
[***********]
[**************]
2 变电流下的SOC定义方法探讨
211 适应变电流放电的SOC定义方法
无论是通过累积容量、开路电压、电阻对应的关系确定的
SOC值,还是动态电阻、电压响应法或模糊逻辑方法得到的SOC
估计值,在设定SOC=0时的各电池对应参数基准值时,应是针对某个放电电流。因此,在变电流放电工况下,无论用何种方法求得SOC值,都不可能将SOC不加修正地通用于各种放电电流。为了使定义适用于变电流放电工况,我们将上述SOC定义加以必要的补充和修正。
a1对定义的补充,我们将电池的荷电状态设定为标称荷电
状态(SOCB)和动态荷电状态(SOCD)两种情况。
①标称荷电状态SOCB特指某恒定温度下,以标称的恒流放电时电池所放出的标称容量为基准所确定的SOC值。标称
SOCB只需对电池不可恢复性容量影响因素进行修正:
SOCB=(1-Q/CB)K1
式中:Q-电池在标定的电流下所放出的电量;
CB-电池以标定的电流恒流放电所具有的容量;K1-电池不可恢复性容量影响系数。
从图1中可见,电池放电电流越大,放电后的开路电压(图
1中为静置2h)也越高,而电池的开路电压与电池荷电状态具
②动态荷电状态SOCD,指随放电电流、温度参数变化的电池荷电状态,SOCD以标称荷电状态SOCB为基准,根据电流的变化进行换算,温度变化则以影响系数的形式予以修正:
有某种对应关系。这也说明,电池不同恒流放电放完电后按定义得到的SOC=0结果,其实际的荷电水平是不同的
。
9
SOCD=SOCB・K2・f(I)路电压来校正电池的SOCB。电池开路的时间越长,其可靠性就越高。根据试验结果,确定SOCB与电池开路电压E0(静置
2h)之间的关系如下:
SOCB=
1.0811
式中:K2-温度影响系数;
I-实际放电电流。
这样处理,SOC的定义似乎变得复杂了,但好处是:使SOC定义概念清晰化,不会出现不合逻辑的SOC估计结果;并使
SOC的测量和估计变得简单、可靠。
b1基于补充定义的SOC估计方法
)见图3。(
20℃
①容量累积法获得SOCB估计值,即根据前一段放电过程的放电电流和放电时间累积计算得到电池已放出的电量,并按下式计算得到SOCB:
SOCB=1-Q/CB
这里的Q恢复的,因此,虑。这样处理,,其误差不会超过
10%,能满足电动汽车电池管理系统对SOC估计精度的要求。
图3 开路电压校正模型仿真与实测值比较
Fig.3 Comparisionopen-circuitvoltagesbasedonadjusted
modelwithexperimentaldata.
②根据SOCB折算SOCD,预计电池后阶段所能放出的电量则必须考虑其放电电流的大小及温度的高低变化,为此,需要根据以后放电电流和温度情况,将SOCB折算为SOCD,以确定电池能否继续放电和电动汽车续驶的里程。
③根据电池的开路电压对SOCB进行校正,由于容量累积有误差存在,因此有必要在电动汽车停驶一段时间后或开始启动时测出电池的开路电压,并据此对电池现存的SOCB进行校正。此外,根据测得的各个电池开路电压的差异,判断电池是否已损坏和是否需要进行均衡充电。
212 有关模型的建立与仿真
a1动态荷电状态SOCD模型,根据一系列的试验数据分
3 小结
a1电池的荷电状态参数SOC用于表示电池的剩余容量,
其数值是对应于电流变化的。以标称荷电状态和动态荷电状态定义SOC,使SOC的概念清晰化,可避免在电池充放电模型及电池管理系统中对SOC的不适当引用。
b1影响电池容量的各种因素可分为可恢复性和不可恢复
性两类,不可恢复性影响因素只对标定的电池荷电状态(SOCB)进行修正;电流、温度等影响容量因素具有可恢复性,因此,在用电量累积法估计电池荷电状态时,可以不考虑前段放电过程电流的大小及变化情况,而根据已放出的电量直接得到SOCB值,然后由建立的动态荷电状态SOCD模型根据SOCB和未来放电电流及温度的情况得到SOCD,使SOC的获得变得简单而又实用。
c1用电池开路电压模型对实时测量中的SOCB进行校正,
析,我们提出SOCD与标称荷电状态SOCB和放电电流I关系式如下:
SOCD=SOCB-KW
(
InI/IB)CB
式中:SOCB-由累积的放电量确定(=1-Q/CB);
KW-温度影响系数。
以保证SOC估计值的准确性和可靠性。参考文献:
[1] PENGJin2chun(彭金春),CHENQuan2shi(陈全世)1电动汽车铅酸
在18℃～20℃内某阀控铅酸电池的仿真结果见图2
。
电池充放电过程建模[J]1AutomobileTechnology(汽车技术),1997,
(6):5-81
[2] QIGuo2guang(齐国光),LIJian2min(李建民)1电动汽车电量计量技
术的研究[J]1JournalofTsingHuahniversity(清华大学学报),1997,
(37);46-49.
[3] ShinpoT,SuzukiH.DevelopmentofBatteryManagementSystemforElec2
tricVehicle[A].EVS14,SymposiumPaper.
[4] LiSUN,XindeTAN.FuchunXIE.TheBatteryManagementSystemfor
ElectricVehicleBasedonEstimatingBattery’sStates[A].EVS15,Sympo2siumPaper.
图2 动态SOC模型仿真与实测结果比较
Fig.2 TransientSOCcomparisonsimulativeevaluation
basedonmodelwithexperimentaldata.
b1电池开路电压校正模型,电池的开路电压与电池的荷电
状态SOCB有比较确定的对应关系,因此,可通过测得电池的开
收稿日期:2000-05-10
第31卷 第1期 电 池 Vol.31,No.120012BATTERYBIMONTHLYFeb.,2001
变电流下的电池荷电状态定义方法探讨
麻友良1,陈全世2,朱 元2
(11武汉科技大学,湖北 武汉430070;21,摘要:铅酸电池的荷电状态(SOC)的测量和估计,SOC定义所存在的问题,SOC定义不适应变电流放电情况的原因,。关键词:荷电状态;放电容量;;中图分类号:TM91211:1001-1579(2001)01-0007-03
RonthedefinitionofSOCofbatteries
intheconditionofchangingcurrents
MAYou2liang1,CHENQuan2shi2,ZHUYuan2
(1.WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430070,China;
2.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:Itwasveryimportanceforthebatterymanagementsysteminelectricvehiclestomeasureandestimatethestateofcharge
(SOC)oflead-acidbatteries.It’sfortheprevailingmethodtoachievetheSOCofbatteriesandpointedoutthedisadvantageofthismethod.Theinfluencefactorsoflead-acidbatteriesdischargecapacityweredividedintotwogroups.Onegroupwasrenewablefactorsandanothergroupwasunrenewablefactors.ThereforetheoriginaldefinitionofSOCwasnotapplicableforchangingdischargecurrents,butanewdefinitionoftheSOCanditscalculatingmodelbasedontheempiricaldataintheconditionofchangingdischargecurrents.
Keywords:stateofcharge(SOC);dischargecapacity;influencefactor;lead-acidbattery
前言
电池是电动汽车的能量来源,电动汽车电池管理系统对电池实施管理和控制的重要前提是能准确和可靠地获得电池现存的容量状态参数。电池管理系统要依据现时的电池容量决定是否进行限定电池最大放电电流控制和预测电动汽车的续驶里程、根据各只电池容量的不同程度识别电池组中各电池间的性能差异,并依此作出均衡充电控制和电池是否损坏的判断,确保电池组性能良好,能延长电池寿命。
由于使用中电池容量受许多不确定性因素影响,如何根据可测的电池参数对现存电池容量状态作出准确、可靠的估计,一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力研究的课题。到目前为止,已有多种计算模型,并有了实际应用。目作者简介:
前,国内外较为普遍地采用了电池的荷电状态(Stateofcharge简称SOC)这一电池容量状态描述参数,并出现了多种获得SOC估计值的方法,但是,对SOC的定义和理解却有不同。本文在实验的基础上对目前流行的SOC定义在变电流放电工况下所存在的问题进行分析,并根据各种影响电池容量因素在电池变电流放电工况下所表现出的不同特点,对SOC予以新的定义,以求对SOC的正确理解和应用。
1 对电池容量和SOC定义的理解和分析
111 电池容量的影响因素分类
电池容量的影响因素很多且关系复杂,从电池的内部结构、放电机理及所表现的特征分析,我们把影响电池容量的因素分为可恢复性影响因素和不可恢复性影响因素两类:
麻友良(1956-),男,浙江德清人,武汉科技大学副教授,主要从事汽车电器及电动汽车的研究;陈全世(1945-),男,陕西西安人,清华大学教授,汽车安全与节能国家重点实验室副主任,联系人,
E-mail:[email protected];
朱 元(1976-),男,江苏南通人,清华大学博士生,主要从事电动汽车电池管理系统的研究。基金项目:汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(39915009)
a1可恢复性影响因素,放电电流、温度、电解液的密度等影
8
电 池
响因素造成电池容量下降是因为在电流大、温度低、电解液密度过高时,电池极板内层的活性物质没有被充分利用,如果在电池的一个完全放电过程中,其影响因素的条件值向影响小的方向改变,比如,放电电流从大电流放电改为小电流放电、温度升高等,电解液能有时间向极板内层渗透,使极板内层原未被利用的活性物质又参加电化学反应,电池容量就会回升。
b1不可恢复性影响因素,如电池极板硫酸盐化、活性物质
脱落、板栅腐蚀及自放电等影响因素使极板上的有效的活性物质总量减少了,放电条件的改变而恢复的。
112 对SOC定义的分析
-voltageintheendofdischargeat
constantcurrents
在变电流放电工况下,定义虽然考虑了各个阶段放电电流不同的情况,但将表示不同恒流放电过程的SOC值算术相加值是无意义的,并且也会出现矛盾的结果。以两个简单的变电流放电过程为例:一是电池先以大电流放电,并放电至接近电池所能放出的电量,即SOC≈0,接着以较小的电流放电,在其允许的范围内又可以放出一定的电量,这时按定义就会出现SOC
,其数值上:
SOC=QC/C1
式中:QC-电池剩余的容量;
C1-电池以恒定电流I放电时所具有的容量
如果将电池充满电状态定为SOC=1,则定义可表示为:
SOC=1-Q/C1
该恒定放电电流下可放出容量的60%～70%,按定义可得到
SOC值为014～013的估计值,但这时如果以某一大电流放电,
式中:Q-为电池已放出的电量。
在变电流工况,定义将放电过程细分为若干个Δt,就有:
)SOC=1-Σij-1△t/Cij-1(θ
当电池电压急剧下降至其终止电压时,放出的电量几乎为0,即电池表现为SOC≈0,与按定义得到结果相矛盾。显然,在变电流情况下,上述SOC定义出现了不适应性,其原因是定义未将电流、温度等影响电池容量因素具有可恢复性考虑在内。
式中:ij-1-t=tj-1时刻的放电电流;
)-当电池充满电时,在θ温度下,以ij-1的Cij-1(θ
恒流放电所具有的容量。
此定义以电池在某一指定的恒流放电所具有的容量为比较基准,显然也只能描述指定恒流放电工况的电池荷电状态,否则就可能会出现矛盾的结果,比如,一个充满电(SOC=1)的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压,放出了该恒流放电所能放出的电量,按定义得到了SOC=0的结论,但如果再以较小的电流放电,则电池又能继续放电,表现出SOC≠0,即定义出现了相互矛盾。图1和表1是我们为验证上述分析而做的电池放电试验结果。
表1 不同电流恒流放电容量与10A电流续放电量
Table.1 Constantcurrentchargecapacityofdifferentcurrent
andcontinuouschargecapacityat10A
恒流放电电流/A以各恒流放电至终止电压时的放电量/Ah继续以10A恒流放电所放出的电量/Ah
总放电量/Ah
[***********]76
[***********]07
[***********]47
[***********]6
[***********]6
[***********]
[**************]
2 变电流下的SOC定义方法探讨
211 适应变电流放电的SOC定义方法
无论是通过累积容量、开路电压、电阻对应的关系确定的
SOC值,还是动态电阻、电压响应法或模糊逻辑方法得到的SOC
估计值,在设定SOC=0时的各电池对应参数基准值时,应是针对某个放电电流。因此,在变电流放电工况下,无论用何种方法求得SOC值,都不可能将SOC不加修正地通用于各种放电电流。为了使定义适用于变电流放电工况,我们将上述SOC定义加以必要的补充和修正。
a1对定义的补充,我们将电池的荷电状态设定为标称荷电
状态(SOCB)和动态荷电状态(SOCD)两种情况。
①标称荷电状态SOCB特指某恒定温度下,以标称的恒流放电时电池所放出的标称容量为基准所确定的SOC值。标称
SOCB只需对电池不可恢复性容量影响因素进行修正:
SOCB=(1-Q/CB)K1
式中:Q-电池在标定的电流下所放出的电量;
CB-电池以标定的电流恒流放电所具有的容量;K1-电池不可恢复性容量影响系数。
从图1中可见,电池放电电流越大,放电后的开路电压(图
1中为静置2h)也越高,而电池的开路电压与电池荷电状态具
②动态荷电状态SOCD,指随放电电流、温度参数变化的电池荷电状态,SOCD以标称荷电状态SOCB为基准,根据电流的变化进行换算,温度变化则以影响系数的形式予以修正:
有某种对应关系。这也说明,电池不同恒流放电放完电后按定义得到的SOC=0结果,其实际的荷电水平是不同的
。
9
SOCD=SOCB・K2・f(I)路电压来校正电池的SOCB。电池开路的时间越长,其可靠性就越高。根据试验结果,确定SOCB与电池开路电压E0(静置
2h)之间的关系如下:
SOCB=
1.0811
式中:K2-温度影响系数;
I-实际放电电流。
这样处理,SOC的定义似乎变得复杂了,但好处是:使SOC定义概念清晰化,不会出现不合逻辑的SOC估计结果;并使
SOC的测量和估计变得简单、可靠。
b1基于补充定义的SOC估计方法
)见图3。(
20℃
①容量累积法获得SOCB估计值,即根据前一段放电过程的放电电流和放电时间累积计算得到电池已放出的电量,并按下式计算得到SOCB:
SOCB=1-Q/CB
这里的Q恢复的,因此,虑。这样处理,,其误差不会超过
10%,能满足电动汽车电池管理系统对SOC估计精度的要求。
图3 开路电压校正模型仿真与实测值比较
Fig.3 Comparisionopen-circuitvoltagesbasedonadjusted
modelwithexperimentaldata.
②根据SOCB折算SOCD,预计电池后阶段所能放出的电量则必须考虑其放电电流的大小及温度的高低变化,为此,需要根据以后放电电流和温度情况,将SOCB折算为SOCD,以确定电池能否继续放电和电动汽车续驶的里程。
③根据电池的开路电压对SOCB进行校正,由于容量累积有误差存在,因此有必要在电动汽车停驶一段时间后或开始启动时测出电池的开路电压,并据此对电池现存的SOCB进行校正。此外,根据测得的各个电池开路电压的差异,判断电池是否已损坏和是否需要进行均衡充电。
212 有关模型的建立与仿真
a1动态荷电状态SOCD模型,根据一系列的试验数据分
3 小结
a1电池的荷电状态参数SOC用于表示电池的剩余容量,
其数值是对应于电流变化的。以标称荷电状态和动态荷电状态定义SOC,使SOC的概念清晰化,可避免在电池充放电模型及电池管理系统中对SOC的不适当引用。
b1影响电池容量的各种因素可分为可恢复性和不可恢复
性两类,不可恢复性影响因素只对标定的电池荷电状态(SOCB)进行修正;电流、温度等影响容量因素具有可恢复性,因此,在用电量累积法估计电池荷电状态时,可以不考虑前段放电过程电流的大小及变化情况,而根据已放出的电量直接得到SOCB值,然后由建立的动态荷电状态SOCD模型根据SOCB和未来放电电流及温度的情况得到SOCD,使SOC的获得变得简单而又实用。
c1用电池开路电压模型对实时测量中的SOCB进行校正,
析,我们提出SOCD与标称荷电状态SOCB和放电电流I关系式如下:
SOCD=SOCB-KW
(
InI/IB)CB
式中:SOCB-由累积的放电量确定(=1-Q/CB);
KW-温度影响系数。
以保证SOC估计值的准确性和可靠性。参考文献:
[1] PENGJin2chun(彭金春),CHENQuan2shi(陈全世)1电动汽车铅酸
在18℃～20℃内某阀控铅酸电池的仿真结果见图2
。
电池充放电过程建模[J]1AutomobileTechnology(汽车技术),1997,
(6):5-81
[2] QIGuo2guang(齐国光),LIJian2min(李建民)1电动汽车电量计量技
术的研究[J]1JournalofTsingHuahniversity(清华大学学报),1997,
(37);46-49.
[3] ShinpoT,SuzukiH.DevelopmentofBatteryManagementSystemforElec2
tricVehicle[A].EVS14,SymposiumPaper.
[4] LiSUN,XindeTAN.FuchunXIE.TheBatteryManagementSystemfor
ElectricVehicleBasedonEstimatingBattery’sStates[A].EVS15,Sympo2siumPaper.
图2 动态SOC模型仿真与实测结果比较
Fig.2 TransientSOCcomparisonsimulativeevaluation
basedonmodelwithexperimentaldata.
b1电池开路电压校正模型,电池的开路电压与电池的荷电
状态SOCB有比较确定的对应关系,因此,可通过测得电池的开
收稿日期:2000-05-10