車用鋰離子動力電池SOC的研究

　　1.3.2 庫侖效率η的計算

　　放電庫侖效率定義為電池以特定電流和溫度（可以為任意的）進(jìn)行恒流恒溫放電，放完為止，用放出的電量與電池未放電前的電量相比。

　　充電庫侖效率定義為電池在空電量狀態(tài)下以特定的電流（一般為定義好的）和溫度進(jìn)行充電，充到放電前電量為止，用充入的電量與電池放電前電量相比。

　　由于內(nèi)阻及極化現(xiàn)象的存在，電池的充放電過程會有電量的損失，從而造成安時法計算的電量不能完全反映電池充放電真實(shí)電量的情況，庫侖效率則反映了兩者間差別。

　　傳統(tǒng)定義下的庫侖效率沒有考慮充放電差異、電流大小、運(yùn)行溫度等因素的影響。為了克服傳統(tǒng)庫侖效率的缺點(diǎn)，本文用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對庫侖效率進(jìn)行估算，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有表示任意非線性關(guān)系和學(xué)習(xí)能力的優(yōu)點(diǎn)，這樣可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　本文采用自適應(yīng)模式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)為輸入層兩個節(jié)點(diǎn)，電流和溫度；中間層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而定（本文采用19個節(jié)點(diǎn)）；一個輸出層節(jié)點(diǎn)η。采用電流和溫度作為輸入節(jié)點(diǎn)的原因是庫侖效率η主要是受其影響，特別是受電流的影響較大。

　　圖3 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算庫侖效率η的過程是：（1）通過實(shí)驗(yàn)獲得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）用獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；（3）將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于SOC估算中實(shí)時估算η。

　　圖4，圖5是充放電庫侖效率與電流、溫度的關(guān)系曲線圖。圖4、5 中連線表示從充放電實(shí)驗(yàn)中得出的曲線，“+”表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算的結(jié)果。

　　圖4 放電庫侖效率與電流、溫度的關(guān)系曲線圖

　　圖5 充電庫侖效率與電流、溫度的關(guān)系圖

　　從兩圖可以看出充放電庫侖效率的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相符，說明可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算庫侖效率η。

　　最后，鋰電池隨著充放電次數(shù)的增加會逐漸老化，其表現(xiàn)是電池的實(shí)際容量會減少，對此可以用公式 ：Q=100×Qch/（SOCsf-SOCsi）對電池的實(shí)際容量進(jìn)行修正。式中：Q表示修正后的實(shí)際容量；SOCsf表示充電前在靜止?fàn)顟B(tài)時的SOC值，SOCsi表示充電后在靜止?fàn)顟B(tài)時的SOC值；Qch表示在充電狀態(tài)下充入電池的電量。經(jīng)過對電池的實(shí)際容量的修正將會進(jìn)一步減少SOC的計算誤差，使其更加接近實(shí)際值。

　　2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖6 電池工作電流曲線

　　為了檢驗(yàn)此方法的準(zhǔn)確性，我們以龍門旅游區(qū)旅游用電動車（電池標(biāo)準(zhǔn)容量60Ah）為實(shí)驗(yàn)對象。實(shí)驗(yàn)前以0.3C的電流向電池充入49.12Ah電量（對應(yīng)SOC值為0.816），將硬件測試系統(tǒng)（電壓、電流、溫度傳感器精度是0.5%，采樣時間為0.5s/次）安裝在電動車上，在常規(guī)路況下行駛進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后用0.1C放出21.61Ah電量（對應(yīng)SOC為0.358）。圖6、圖7分別為硬件系統(tǒng)所記錄的電池電流、溫度曲線圖。圖8為硬件系統(tǒng)記錄的各種SOC估計方法比較，Ah曲線表示安時計量法計算的SOC;Ah-K曲線表示加上庫侖效率因子后安時計量法計算的SOC;Ah-K-D表示加上庫侖效率因子和電量的動態(tài)恢復(fù)量后安時計量法計算的SOC.

　　圖7 電池工作溫度曲線圖

　　實(shí)驗(yàn)表明，單純的安時計量法（Ah法）計算的SOC誤差較大，這是因?yàn)殡姵卦诠ぷ鬟^程中會發(fā)生極化現(xiàn)象；經(jīng)過庫侖效率修正后（Ah-K法）可以大大消除極化現(xiàn)象的影響，提高了安時計量法計算SOC的準(zhǔn)確度，終止時刻的SOC值接近真實(shí)值；在此基礎(chǔ)上通過增加電量的動態(tài)恢復(fù)量（Ah-K-D法）進(jìn)一步提高了SOC的準(zhǔn)確度，終止時刻的SOC值最接近真實(shí)值（0.358），從而說明了Ah-K-D 法效果良好。

　　圖8 不同SOC 方法計算結(jié)果對比圖

　　3、結(jié)論

　　本文在SOC估算上采用了一種新思路，即將鋰電池的工作狀況分為三個狀態(tài)，每一狀態(tài)應(yīng)用適合其情況的方法估算SOC，從而完成了電池在整個工作過程中的SOC的計算。

　　此方法最大可能地消除了影響SOC估算的因素，從而提高了SOC估算的精度。文章還特別針對充放電過程中的極化現(xiàn)象以及電池長時間使用所表現(xiàn)出的老化現(xiàn)象提出了改進(jìn)措施，并產(chǎn)生了較好的效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明本文提出的方法易于在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，估算出的SOC 值準(zhǔn)確，能夠達(dá)到動力汽車的應(yīng)用要求。