锂离子电池SOC估算研究.pdf

1、 硕士学 位论文 (工程硕士 ) 锂离子电池 SOC 估算 研究 RESEARCH ON LITHIUM-ION BATTERY SOC ESTIMATION 王雷 哈尔滨工业大学 2013 年 06 月国内图书分类号： TM912 学校代码： 10213 国际图书分类号： 621 密级：公开 工程硕士 学位论文 锂离子电池 SOC 估算 研究 硕 士 研 究 生 ： 王雷 导 师 ： 张东来 教授 副导师 ： 庞观士高级工程师 申 请 学 位 ： 工程硕士 工 程 领 域 ： 电气工程 所 在 单 位 ： 研祥智能科技股份 有限公司 答 辩 日 期 ： 2013 年 6 月 授予学位单位 ：

2、 哈尔滨工业大学 Classified Index: TM912 U.D.C: 621 Dissertation for the Masters Degree of Engineering RESEARCH ON LITHIUM-ION BATTERY SOC ESTIMATION Candidate： Wang Lei Supervisor： Prof.Zhang Donglai Associate Supervisor： Prof. Pang Guanshi Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Elec

3、trical Engineering Affiliation： EVOC Intelligent Technology Co., LTD. Date of Defence： June, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 锂离子电池由于其自身的诸多优点目前已经越来越多的取代镍氢，镍镉以及铅酸等电池，在工业以及商业应用中，成为 人们 二次电源的优先选择。 锂离子电池在系统中进行充放电循环时，电池工作的电流，电压，以及温度还有剩余容量以及老化程度等，成为人们需要关注的参数，

4、特别 是 温度和剩 余容量及使用状态等参 数， 对于用户预判电池状态并采取预防措施至关重要。 目 前相关的 方法 研究已经比较成熟，如 TI 已有相关的电池 工作 状态管理芯片应用于BMS（电池管理系统）中，已经在汽车电子等方面广泛应用，但在一般的普通手持终端及便携产品上，电池的使用状态监控还比较简单，如一般的剩余容量仅是通过对整体容量进行电压等级划分，对应不同电压进行不同容量的指示，误差较大，终端使用中经常出现显示还有两格电量，但功放打开发射后，立即低电压保护关机，特别是在户外以及涉及到生命安全的场合，电池 SOC 估算误差 太大可能导致用户判断失误 ，危及生命财产安全。 本文通过选取 10

5、3450 锂离子电池进行循环放电试验， 结合 模糊控制理论 思路 对电池生命周期的放电区间采取等容量法进行划分，通过函数拟合和电压容量补偿的方法，尝试一种比较新型的锂离子电池 SOC 估算方法，通过选取测试电压点和一定时间间隔对方法进行了验证 。 此方法与一般的单纯电压估算法和安时估算法比较， 测试时间短，估算 精度较高， 测量简单易行。 另外，估算方法可以结合实际需要以及测量仪器精度等实际情况，进行估算时间的调整，可以在较短时间内对电池容量以及对应时间的 SOC 进行估算，帮助使用者及时判断电池使用状态，对电池 进行 维护和保养。 关键词 ： SOC 估算 ； 锂离子电池 ； 容量预估 ；

6、Abstract - - Abstract The lithium ion battery due to its many advantages has more and more replaced nickel metal hydride, nickel cadmium and lead-acid batteries in industrial and commercial applications, more and more become the first choice of the secondary power source. Lithium-ion battery systems

7、 in charge and discharge cycles, the battery current, voltage, and temperature as well as the remaining capacity and the degree of aging, etc., people need to focus on the parameters, in particular temperature and remaining capacity, and the use of state parameters, is essential for the user to dete

8、rmine the battery status and take preventive measures. Relevance detection studies have been more mature, such as TI have been related to the battery state management chip used in the BMS (battery Management System) has been widely used in automotive electronics, but in an ordinary hand-held termina

9、l and portable vehicles, the state of use of the battery condition monitoring is still relatively simple, such as the remaining capacity of only divided by the overall capacity of the voltage level corresponding to different voltages for different capacities instructions, deviation is too big, that

10、often appear there is two grid electricity in terminal vehicles， but the power amplifier open after launch, low-voltage protection act immediately， cause system shut down, especially in the outdoors, and it may come to the safety of the occasion, if the batterys SOC estimation deviation is too large

11、, may lead to user errors of judgment, endanger the safety of life and property. Select 103450 model lithium-ion battery discharge cycle test, Combination of fuzzy control theory method, the discharge of the batterys life cycle interval divided by the same volume interval method ， with the function

12、fitting and voltage compensation， try a new lithium-ion batterys SOC estimation method, select the test voltage point and a certain time interval method validation this method. This method compared with the general estimation method of a simple voltage and current integral estimation method, the tes

13、t time is short, the estimation accuracy is high, and the measurement is simple. In addition， estimation methods can be combined with the actual needs and measuring instruments precision of the actual situation, to adjust the estimated time, Estimates the battery capacity and the corresponding time

14、batterys SOC in the relatively short period of time, To help users determine the battery status in time, and provides a reference for the care and maintenance of the battery. Keywords: SOC estimation, lithium-ion battery, Capacity estimation 目 录 - III - 目 录 摘 要 I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题的提

15、出及其意义 1 1.2 锂离子电池的电化学反应原理 2 1.3 SOC 的定义 4 1.4 SOC 估算方法的研究现状 5 1.4.1 电压法和安时法 SOC 估算 7 1.4.2 较 新型 的 SOC 估算 方法 . 7 1.5 本课题 SOC 估算 方法 介绍 9 第 2 章 锂离子电池 基本特性分析 . 10 2.1 锂离子电池电压相关参数分析 10 2.1.1 锂离子电池电压与容量的关系 . 10 2.1.2 锂离子电池电压与内阻的关系 . 11 2.1.3 锂离子电池电压与温度的关系 . 13 2.2 影响锂离子容量估算参数分析 14 2.2.1 锂离子电池容量与电压及内阻的关系 .

16、 14 2.2.2 放电倍率对容量估算的影响 . 15 2.3 本章小结 15 第 3 章 多型号 锂电池 基本特性分析 . 17 3.1 无线通信系统和电池的模型建立 17 3.2 多型号锂电池的基本特性分析 . 19 3.2.1 多型号锂电池端电压与容量关系 19 3.2.2 充放电 倍率 与锂电池容量的关系 20 3.3 本章小结 22 第 4 章 锂离子电池 SOC 估算 . 23 4.1 锂离子电池 SOC 测试系统介绍 23 目 录 - IV - 4.2 测试样品介绍 24 4.3 锂离 子电 池 SOC 估算流程说明 25 4.4 锂离子电池 SOC 估算方法介绍 27 4.4.

17、1 锂离子电池基础放电区间划分 27 4.4.2 放电曲线回归函数确定 32 4.4.3 锂离子电池 SOC 估算方法 . 34 4.5 锂离子电池 SOC 估算方法扩展 41 4.6 本章小结 42 第 5 章 锂离子 电池 SOC 估算方法验证 . 43 5.1 20min 间隔测试点 SOC 验证 45 5.2 15min 间隔测试点 SOC 验证 48 5.2.1 15min 间隔高压段 SOC 验证 . 48 5.2.2 15min 间隔低压段 SOC 验证 . 51 5.3 本章小结 . 55 结 论 . 56 参考文献 . 57 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 6

18、1 致 谢 . 62 作者 简历 . 63 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题的提出 及其意义 在 常规能源煤，石油 等 一次性 资源 储量日益减少的今天，不断开发和寻求 新的绿色能源是经济发展的当务之急。特别是到了 21 世纪，化学电源与能源的关 系越来越密切，随着可持续，环保绿色发展成为时代的主题，对于既有动力源中的各种 蓄电池，人们 的关注度也在不断提 高 ， 并投入了大量的精力去探索和尝试 与应用 1 。 其中应用较广的有镍氢、镍镉、锂离子等 几类 电池，其中镍氢电池存在工作电压 较低 （ 1.2V） 3的问题，需要高电压时要多个串联，电芯一致

19、性成为限制其需要高电压使用的限制因素，镍镉电池因为有记忆效应，并且重金属污 染，也逐渐不用，铅酸电池比能量低以及高温下电池存在问题也限制了其使用，而锂离子电池具有优良的性能和特点，其质量轻、电压高、电化当量高、导电性 高 9,17 ，因而应用范围较宽，其中包括照相机、存储器使用电源、安全器具、计算器、手表等。 锂离子电池由于可以做到容量大，单节电芯电压较高，现在已经在很多领域逐渐代替镍氢和镍镉等电池，特别是在便携式电子产品中更是得到了大量的推广和应用，如照相机，存储器备用电源，安全器具， PDA，计算器，手表，手机，笔记本电脑， MP4， AMR 自主移动机器人 (Autonomous Mob

20、ile Robot)33等电子产品 和工业产品 ，另外，在一些专业的应用领域，也较多的使用了锂离子电池，如大量的便携式测量设备，如温度探测仪，谐波分析仪，功率探测仪等仪器仪表，还有在一些专业通信领域，如专业无线对讲设备，如无线通信对讲机等通信类设备也得到了大量和广泛的使用，但在实际的使用中经常会出现电量显示及电池容量的问题，比如在使用中手机的电池显示可能还有几个电量，但是或许很快就没电了，对讲机显示还有 2 格 电量，但是当我们发射讲话时或许很快就会显示低电压报警，或者直接低电压关机等等，给我们的使用带来很大 的困扰 ；另外，在电池的检验和客退及返修的过程中，经常可以发现很多电池 可能是可以正

21、常使用的，但是还是被客户退回了经销商或者客服修理处，最后造成了客退及返修成本，还要给客户进行退换货，但实际上有很多电池可能只是因为没有做补电等原因，或者是容量已经较原来新买时小了一些，实际中只是影响使用时间，但是还是可以正常使用的，却被退了回来， 如果 我们可以快速检测到电池的容量或者电池的电压和内阻等参数，并且收集到电池多次充放电过程中的放电变化规律，则可以快哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 速确定电池大概容量以及电池 大概使用状态 ，从而快速确定电池是否已经超过使用 期电池容量较小，还是电池内阻已经较大，无法正常发电，或者是说电池电压较低，对电池进行修复等动作就可以继续正常使用，

22、从而对客户退还电池进行分类分析和处置，大幅度提高代理商和维修站对电池问题的处理准确度，并且可以提高处理效率，大幅度削减客户退回电池的邮寄费用和更换新电池的成本及人力等费用。另外，在一些单块电池使用较多的保安及酒店或者军队及安防等部门，可以通过快速的容量检测避免由于电池问题而影响及时的救援和执行任务时间。 而锂离子电池在使用中对于电池状态的检测将可以给我们提供电池的一些参数信息，帮助我们提前做判断 ， 特别是电池使用温度，已充放电次数，剩余容量等信息就显得尤为重要。 在 BMS 汽车管理系统中，这些信息能够帮助驾驶人判断何时充电，以及是否该更换电池等，对驾驶者提供很大的帮助，另外，在手持终端，如

23、手机、 PAD、笔记本电脑、无线对讲终端等应用中，电池使用信息对于使用者就具有很大的指导意义，其 中 SOC 剩余容量的显示意义重大，近几年这方面的研究也较多，其中也提出了较多理论方法以 及 TI 等大的芯片厂商也设计了较多款电池 SOC 等信息检测芯片，已经在汽车电子 EV 和 HEV 上面广 泛较广，但在手持终端，如手机， PDA，对讲机， PAD 等上面较少应用，一般的检测方法主要还是以开路电压法进行剩余电量的估算，但估算误差普遍较大，另外，一般的估算方法都都 需要对电池进行一个充放电循环之后，才能粗略估算出电池 SOC 及充放电循环情况，一般需要 8 个小时左右，最少也需要 3 个小时

24、 13。 本课题旨在通过 对 电池的循环充放电试验 数据 加以 研究 ，寻找电池充放电循环规律 ， 达到 预测 锂离子 电池 SOC 的目的 .及通过快速测量电池电压变化，预估出电池使用状态和 SOC状态，达到对于单一型号电池的 SOC的准确预测，通过单一型号电池的 SOC规律，逐渐寻找多型号多规格电池的 SOC预测规律，从而达到对多规格电池 SOC 的预测，通过电池的放点数据回归拟合出的函数，计算出电池的 SOC 11。 1.2 锂离子电池的电化学反应原理 锂离子电池 一般主要有 液态锂离子电池和锂聚合物电池两类。其中，液态锂电池主要是通过锂离子在正负极之间的移动达到充放电的目的，其正极一般

25、采用锰、镍和铬等锂离子氧化物，负极采用锂 -碳层间化合物，电解质为溶解性锂盐 5 。 锂离子电池的正极锂离子氧化物具有较多优点 ，如目前使用较多的铬酸锂氧化物具有开路电压和比能量高、循环寿命长、能快速放电、 贮存寿命长（ 在高温下 可以 贮存 达到 10 年的寿命数据， 其 可靠性预计寿命可以达到 20 年 9） 的特点，但价格贵。 LiNiO2 制备较困难，限制其广泛应用。 锰酸锂 价格低，制备也比 较 容哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 易，但容量比 较低 ，并在充放电过程中不稳定 5,45。 根据上述的反应机理， 通过正极的锂氧化物和负极的 锂 -碳层间化合物之间进行锂离子移动

26、，达到能量的转化，正极的氧化物锂离子被负极抽走后晶状结果会发生变化，如果抽走太多，氧化物晶状结构就会出现坍塌，从而出现我们经常意义上说的过充 ；另外，在电池放电时候电子又会被重新抽回锂离子氧化物，但需要留一些电子来保证 锂 -碳 层间化合物的结构，所以抽回的电子数量也需要限制，及为了防止过放导致负极结构损坏， 所以锂电芯的安全充电上限 一般设置为 电压4 .2V， 而 放电下限 设置为 电压 2.5V。 锂离子电池的内部结构如 图 1-1 所示： 图 1-1 锂离子电池的内部结构 锂离子 电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。 （ 1） 锂 离子电池在充放电时，锂离子在正负极间析出和

27、嵌入 。一般 选用嵌锂过渡金属氧化物作为 正极，如 LiNiO2、 LiCoO2、 LiMn2O4。 （ 2） 负极则选择与锂离子电位接近的可嵌入锂化物 ， 一般选择 各种碳材料 ，包括 各种 石墨 材料、碳纤维、中间相小球碳素等，或者 金属氧化物，包括 SnO2、SnO、 锡复合氧化物 SnBxPyOz 等。 （ 3） 电解质 材料采用 LiPF6 的乙烯碳酸脂 （ EC） 、丙烯碳酸脂 （ PC） 或者低粘度二乙基碳酸脂 （ DEC） 等 与 烷基碳酸脂搭配的高分子材料。 （ 4） 隔膜一般采用聚烯微多孔膜，如 PP、 PE 或它们复合膜，如 PP/PE/PP 三层隔膜具有熔点较低，较高的

28、抗穿刺强度，可以起到过热保险作用。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - （ 5） 外壳 一般 采用铝或钢材料，具有防爆的功能 ，但钢壳在变形量较大时，不会起鼓膨胀，但较易发生爆炸 ，而铝材料会好一些 。 锂离子电池的额定电压为 3.6V。电池充满时的电压一般在 4.2V 左右；锂离子电池终止放电电压为在 2.75V 左 右。 图 1-214为标准锂离子电池充电原理曲线图，锂离子电池的充电过程一般分三个阶段：预充电修复阶段，快速恒流充电阶段和恒压充电阶段以及充电截至阶段。 预充电阶段主要是针对 电压比较低的电池进行修复，使其电压逐渐升高，当电压升高到一定下限共组电压后，开始恒流充电模式，

29、最后在进入恒压充电模式，把电池充满电，到达电池截至电压，停止充电。 在整个锂离子电池的充放电过程中，锂离子电池的控制管理也很关键，处理不好很容量引起电池的过充过放或者燃烧爆炸等问题。由于锂离子电池对温度、过压、过流及过放电比较 敏感，所以所有的电池 控制板内部都 集成了热敏电阻（监控充电温度）以及 防过压、过流、过放电 的 保护电路 29,44 。 图 1-2 锂离子 充电原理图 1.3 SOC 的定义 SOC 是便携式产品 以 及电动车辆运行过程中非常重要的参数 34。 对于便携产品来说， SOC 可以给使用者提供产品续航工作时间参考；对于 EV， SOC 数据 可以作为 电池 充点放电保护

30、点设计的参考数据 ；而对于 需要 多电池组 串联 的 HEV，SOC 数据是整车 BMS 系统设计的关键数据 22,26,40 。 对于一般的二次电池，如聚合物和锂离子电池，其在 循环 充 放电的过程中，电池在内阻电化学反应的过程中，外部特性也在发生着一些规律性的变化，如电池的端电压，内阻以及充放电时间，可充放容量等特性参数都在变化，人们发现通过这些参数之间的规律可以推算出一些电 池的状态，如电池的使用状态以及哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - SOC 值 等 ，如目前便携式产品应用较多的电压容量预测法，及是 此 理论的应用 12。 为了更好的监控电池的工作状态，为使用者提供更多电池状

31、态的参考，电池的剩余容量及 SOC（ State Of Charge） ，成为表征电池工作状态的重要指标 24。 锂离子 电池 SOC 的测量一般分为直接量测法和间接量测法。直接法通过分析电池的电化学反应原理出发，及通过量测锂离子电池中锂离子和锂离子氧化物的mol 含量 以及反映的温度来计算化合物化学反应释放出的化学能量，推断出反应所产生的电能，及通过监控内部 各个离子的状态来研究其剩余电量，但我们指导，电池内阻的反应迅速剧烈，过程因素繁多负责，难以准确监控，所以此方法并没有获得成功的实际应用；另一类及通过外部间接参数的量测来推算电池剩余容量的方法，此方法不关注电池内阻电化学反应情况，通过外部

32、测量电池的电压，电流，温度，内阻等参数来寻找其余电池容量变化的规律，从而估算电池 SOC，此方法目前研究较多，但准确估算电池 SOC 还有很多地方需要进一步研究和细化 19。 锂离子 电池的 SOC 的定义一般从电量和容量角度出发 。从电量的角度将其定义为：电池在一定放电倍率下，剩余电量 与相同条件额定容量的比值。 用数学公式 12表示为： SOC=Qc/Ci （ 1-1） Qc 电池的剩余容量； Ci 电池以恒定电流 I 放电时具有的容量 12。 也有归一化的定义，认为初始 SOC 为 1，减去电池放出容量与额定放出容量的比值，结果即 认为 是 当前时刻 的 SOC41,20。 当然， 这里

33、的 Ci 会随着电池的放电循环逐渐较小，其中主要来自于电池的循环老化影响 36。 1.4 SOC 估算方法的研究现状 由于锂离子电池在使用中，电压是比较容易准确 和实时 的 测量，所以电压法比较早的应用在了锂离子电池 SOC 的预测中，如目前很多的便携式产品及一般的电动车辆，很多仍然采用此方法进行剩余容量预测，但随着新技术的发展以及电压法估算的缺陷， 更优化的估算方法也在积极探索中 。 对于手机 、 数码 PC 等 内部的 电池检验系统，为了充分发挥电池的 可用性 ，提高其使用的 效率 和 安全性 ， 并 延长电池的 充放电次数 及方便使用者 及时 了解电池的使用状态 ，需准确 的 估算电池

34、SOC 的状态。 在这样的需求下，目前已有的估算方法精度和时效性在不断提高，并且也出现了一些其他的 SOC 估算方法。 目前电池 SOC 估算 方法 主 要有：开路电压法 、 内阻 量测 法 、 线性模型法 、 人哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - 工神经网络法 28、 负载电压法 、 Ah 法 、 卡尔曼滤波法 、 放电实验 方 法 、 动态逼近法等 16， 这些方法 在 表 1-112中对其 定义 ，优缺点和适用场合 在表格中已经有比较明确的 比较分析 。 表 1-1 几种主要 SOC 估算方法列表对比分析 SOC 估算方法 方法优势 方法 劣势 适用场合 卡尔曼滤波法 可以获得电

35、池 SOC和其估算误差。 对于测试和系统要求较高。 适用范围较广，尤其适合于电流波动比较剧烈的工况下的 SOC 估计。 开路电压法 应用方便 ，精度还可以接受。 电池组需 要静置以达到稳态，以克服自恢复效应；以及对于电池稳态的判断需要考虑。 仅适用于对电池稳态下或者工作比较稳定的场合的SOC 估算，对于在线检测误差会较大。 内阻法 适用于放电后期，精 度和适应性较好。 电池单体的内阻测量受到多种接触电阻及量具精度的影响，内阻放电初期线性度较差。 一般仅作为放电后期的电池 SOC 估算，可与 Ah 法结合使用。 负载电压法 可在线估算电池的SOC，在恒 流放电情况下有较好的效果。 不适用于需要频

36、繁收发 和起停的工作场合。 一般仅作为电池充放点截至的判据。 线性模型法 对于测量误差和初始条 件的错误性，具有较好的鲁棒性。 使用范围不广。 适用于工作电流较小， SOC缓变的场合。 Ah 计量法 需要对电池放电电流精确测量，另外需要较多的估算起始点作为查表参考。 电流测量机精度误差会导致累计误差，需要结合电池充放电倍率；以高温及电流剧变场合，估算误差较大。 可用于一般的电池驱动系统估算 放电 法 精度较高，方法可靠。 耗时长，电池需脱机测试； 坚持检修维护应用较多 人工神经网络法 估算速度较快，精度比较高，可以根据环境及时调整算法； 需要较多数据进行训练，误差与训练数据和方法有关 适用范围

37、较广。 动态逼近法 简单 精度一般 要求不高的场合。 表 1-1 是目前 主要 SOC 估算方法的研究情况，从表 1-1 中 有以下发现 ： 1. 对于小电流充放电或者工作状态比较稳定的场合，应用以上几种方法进行SOC 估算没有太大差异。 2. 通过间接量进行量测外部量推算电池 SOC 的算法，对电池的工作状态都有要求；而对于需要通过历史循环数据进行训练来推算电池 SOC 的方法则无此要求，哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 但由于其要求对历史数据进行训练，所以其方法应用较麻 烦，精度与算法和数据都有关系，适用性不强 12。 1.4.1 电压法 和 安时法 SOC 估算 开路电压法 通

38、过测量 电池的开路电压， 研究 开路电压与容量的基本模型定义出的关系，推断电池 SOC 的一种方法，开路电压法在实际应用中， 需保证电池组电压变化率很小的情况下测得 ， 否则此时估算出的电池 SOC 误差较大，有时甚至出现错误的估算值 。而在 HEV 等混合系统或者需要频繁启停等复杂工况负载情况下，电池的开路电压 受测量之前的工作电流，工作频率以及负载情况 等的 因素影响，其稳定时间很难判断 ， 准确量测 困难 ， 此时采用此方法估算出的 SOC 误差较大。 Ah 计量法测试原理。 （ 1） 需要对电池的工作状态进行持续的监控，所以中间状态采用此 方法估算SOC 误差 较大。 （ 2） 安时法

39、仅适合工作电流比较稳定的场合，而对于大型电动机或者感性负载频繁启停的工况，电流纹波较大，很难准确计算 。 在变电流情况下， 有时候 会出现估算出错误的结果的情况。 如： （ 1） 在电池满电量（ SOC=1）的情况下，对电池大电流放电到 电压 下限 ，及到 SOC=0 时 ， 此时如果以小电流对电池再次进行放电，仍然可以放出部分电量，如果按照此理论，电池 SOC 可能为负值，与实际产生矛盾 。 （ 2） 电池以小电流放电到容量在一半左右时候，立刻换为大电流持续放电，此时电池电压可能会被立刻拉低，放出的电量可能为零，与实际的一 半左右容量矛盾 。 单纯的电压法和安时法均存在一定问题，电压法在不稳

40、定工况时需要进行静置，待电池电压稳定后测量才会较准确：而安时法在初始状态不了解的情况下很难准确估算电池的使用状态和 SOC，并且在变电流或者工作电流剧变的情况下，电流法适应性较差 。 1.4.2 较 新型 的 SOC 估算 方法 除了常见的开路电压法，安时法之外，新型的 SOC 估计方法还有神经网络法，卡尔曼滤波法和电化学阻抗谱法及 化学能量守恒法 等 。 神经网络法是基于 BP 神经网络的一种算法， 其在多种情况下适应性较 好，但是由于其需要大量的试验数据对算法进行训练， 算法计算精度受到 训练情况和训哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 练方法的影响，所以在实际的电池管理系统中应用起

41、来比较困难 。 卡尔曼滤波法理论 通过对系统的状态 做出 做小的方差估计的一种算法，其优点主要是对于电池的初始使用 误差具有较好的鲁棒性，但计算精度要求较高，对系统的要求较高，适用 性不强 。 电化学阻抗谱法 属于直接测量法 ， 此种方法通过量测电池在不同频率下的电阻寻找内阻与容量的关系，通过建立内阻和容量的关系模型和方程，研究内阻变化电池容量的影响程度，从而估算电池的 SOC。 化学能量守恒法 是基于 能量守恒原理 建立的一种电池 SOC 估算理论，锂离子电池内阻 电化学反应如 图 1-318和 图 1-418所示 ： （ 1-2） 图 1-3 锂离子电池的电化学表达式 对于锂离子电池 ，充

42、入电池的电能分为两部分，一部分作为内部电化学反应的热能耗散掉，另一部分通过化学能储存起来，其中散热部分，主要是由于电流流过电池内部的欧姆电阻和极化电阻时产生的焦耳热，而存储于负极的电化学能则在下一次加载时释放出来，我们猜想，并估算出电池的内阻，通过已知的充电电流计算出电池的耗散功率，另外，电池内部的电化学反应所产生的化学能，可以通过化学传感器测试出里面化学反应的锂氧化物 和浓度，从而计算出化学反应时所产生的化学能，这些化学能存储于负极碳化合物中。 图 1-4 锂离子电池的电化学反应示意图 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - 锂离子电池在充放电循环中内阻会随着充电次数增加逐渐增大，即锂离

43、子穿过电池隔膜纸时受到的阻力逐渐增大，在正极氧化物和负极石墨之间互相嵌入和析出的电子逐渐减少，导致锂离子电池充放电过程中正负极的存储电子的能力逐渐降低，从而导致电池容量较低，及对外表现出老化现象。 除了以上方法外， 还有通过研究电池容量与电压和电流之间的 MAP 图来查表获得对应 SOC 值的方法 39。 1.5 本课题 SOC 估算 方 法 介绍 本课题采用 BS-9300 高精度电池测试仪，采取恒流 -恒压 -静置的循环放电方式，通过研究 103450 锂离子电池充放电特性，统计锂离子电池循环充放电过程中的电压变化曲线，对整个循环过程进行区间划分，各个区间内通过对多个样品的放电数据取平均值

44、，统计出各区间的上下限数据，对数据采取二次回归模型进行最小 二乘法 函数拟合，寻找到各个区间内的放电拟合曲线函数，并统计各循环曲线对应的函数容量值。 对实际 同系列 电池 选取样品 进行放电，快速测量开始和间隔 时间后的 电压，通过与实践曲线进行比对，寻找近似曲线 函数 作为电池 基础 放电 曲线 函数 ，并通过电压差值进行容量差值计算，对拟合曲线容量进行补偿， 估算出电池的初始容量。 通过比对得出的函数基础放电函数，计算间隔时间后电池电压对应的时间点，由于采取恒流放电，则通过 Q=IT 可以计算出电池已经释放容量，从而通过初始容量与释放容量比较，计算电池 SOC。 哈尔滨工业大学工程硕士学位

45、论文 - 10 - 第 2 章 锂离子电池 基本特性 分析 本章主要通过锂离子电池电压，内阻以及放电倍率等与容量变化的关系研究，为后面章节 SOC 估算电压测试点选择以及估算时间 间隔选择等 发现一些基本规律和特性，便于提高预算准确度，避免错误发生。 2.1 锂离子电池电压 相关参数分析 2.1.1 锂离子电池 电压与容量的关系 锂离子电池在充放电循环 过程 中，电池的电压、内阻及容量都随着循环次数的增加而发生变化，通过研究我们发现 以下 规律。 下图 2-1 为锂离子电芯循环 400 次 的过程中后电压变化趋势，从图中观察到，随着循环次数的增加，电芯电压会逐渐降低， 各阶段下降速率也会有所差

46、异，最后下降到 充放电 容量达到 80%左右 。 图 2-1 BYD103450 锂离子电 芯 循环 400 次电压变化趋势 另外，在测试中发现 锂离子电池在进行循环电流放电时电压从开始放电波动逐渐 减小， 一直到电压在 7.35V 以后，电池随着循环放电电压波动加剧，特别是在 6.8V 左右，电压波动接近于 1V,所以电池在放电到最后一部分电量时，此时如果进行大功率放电，则电池电压会出现骤变，所以系统在设置 保护点时 应 注意保护压差选择，否则会出现频繁开关机和频 繁保护的问题，这对于研究系统低电压保护和关机保护点设置具有 关键的意义。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 11 - 2.1.

47、2 锂离子电池 电压与内阻的关系 锂离子电池的对外部的阻抗特性表现为纯阻性负载和容感负载，有时候我们也把容量较小的锂离子电池 等效 为一个电容 ，其中的欧姆电阻部分主要是由于电池内阻本身的电化学 物质及电解液和连接线和接触电阻组成，而容感部分则主要由其内部锂离子在浸入和析出时隔膜所产生的阻力产生。其中影响容感阻抗的还包括一些结构 因素，如隔膜、 孔的数量、直径和弯曲状态等 。 容感阻抗是指由 电化学反极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。 电池内阻测量一般分为交流法测试和直流法测试。 交流法测量一般以 1K0.1KHZ 交流电加载在锂离子电池组两端，以电流有效值 Im 于测量在

48、1s-5s 之间的稳定值，通过测得的交流电压 Vm 来计算电池组的内阻： Rac =VmIm （ 2-1） 式中 Rac 交流内阻； Vm 交流电压有效值； Im 交流电流有效值 。 直流测试法以 I1对电池进行恒流放电 15S，测量并记录下放电 5S末期负载条件下 电压 Vn， 再以 I2对电池进行恒电流放电 15S，测量并记录下放电 5S末期负载条件下 电压 Vn1。 Rdc= (Vn-Vn1)/ (I1-I2) （ 2-2） 下图 2-24是采用脉冲放电法 对同一样品进行循环放电过程中，记 录其循环放电过程中欧姆内阻与 容感（极化） 内阻的变 化局势 （ 40 ,4C的充放 倍率 ）。从

49、图中可见 容感（极化）内阻 在电池 的整个放电周期中变化较缓慢 ， 电池在充放电循环中内阻值的变化更多的是由于纯阻性负载的增加引起 。因此，在评估电池 放电 周期中容量与内阻关系时更应关注欧姆内阻的变化局势 。 图 2-2 电池欧姆内阻和极化内阻 与循环次数关系 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 12 - 从图 2-2 中我们可以发现随着充放电次数循环的增多电池欧姆内阻逐渐增大，极化内阻基本保持不变，所以我们在研究锂离子电池充放电过程进行建模分析时，主要考虑欧姆电阻的变化 。 另外，结合目前研究较多的 Thevenin 等效 模型 30， 对锂离子电池 建模如图2-3 所示 4,6 。 R 1UIR 0U o cC 0R 3R 2图 2-3 电池模型 U= Uoc-I（ R0+ R1） （ 2-3） 式中 R1 电池欧姆内阻 ； R2 PTC过温保护断路器等效电阻 ；