车载电池管理系统SOC现状分析与挑战

作为新能源行业分析领域的专业人士,接下来的日子将随着自己对新能源动力电池领域的深入分析,将一些电动汽车技术领域的基础知识分享给大家,真正了解行业本 质技术。此次选择动力电池管理系统的SOC分析,一方面是因为SOC是BMS的核心,BMS是动力电池的核心,动力电池是新能源汽车的核心,SOC对新能 源汽车至关重要;另一方面是因为新能源汽车整体太庞大,很难说深,说小说深较好把控,也学习的深入。

 

车载电池管理系统SOC现状分析与挑战

SOC是当前动力电池剩余电量/容量的简称,汽车通过SOC,知道目前的电量状态,通过SOC,我们把综合影响因素说开去,形成一个宏观系统的概念。

一:现状分析

如果没有准确的SOC,会出现的情况:

1、过充/过放情况,导致缩短电池寿命,趴窝等;

2、均衡的一致性效果不理想,降低输出功率,动力性能降低;

3、为了避免趴窝,设置过多冗余电量,减少整体能量输出;

所以SOC的精确估算意义重大,对车主而言,SOC直接反应的是当下的电量状态,还能行驶多远的距离,确保能顺利抵达目的地;对电池本身而言,SOC 的精确估计背后涉及开路电压、瞬时电流、充放电倍率、环境温度、电池温度、停放时间、自放电率、库伦效率、电阻特性、SOC初值、DOD等的非线性影响,而且这些外在特性彼此影响,彼此也受不同材料、不同工艺等的影响,所以精确估计SOC数值变得非常重要,其算法也是相关企业的核心竞争力之一。

接下来我们将讨论SOC算法的现状、深入分析其影响因素和实际问题讨论。

二:算法现状

目前SOC主流估算方法有放电法、安时积分法、开路电压法、神经网络法、卡尔曼滤波法。

■放电法即是将电池作放电实验,以放出电量的多少为电池容量,但实际行车情况剩余电量是用来行驶的,无法单纯以放电结果作为电量预估标准。

■安时积分法是通过初始 与工况状态下电流和时间积分的和来计算当前电量,当前SOC精度主要依赖初始 和瞬时电流的精度,但是随着时间延长,误差累计严重,且无法单独修正。

■开路电压法是根据不同材料体系、工艺的电池其静止开路电压与SOC的对应关系来计算。

 

但是准确的开路电压需要一段时间静置恢复,因为充电和放电过程会让电池内部化学反应持续一段时间,延长部分极化状态,形成极化电势,提高和降低瞬时开路电压,使单纯的开路电压在实际工况状态下受到行车干扰而不准确。故工况状态下测得的开路电压只能作为参考,并不是真实开路电压。

■神经网络法由局部电压、电流、温度、内阻等各种瞬时数据形成输入层,自动归纳规则成隐层,再通过系统模型的输出层收敛和优化形成瞬时SOC。各层信息互不通信、并无联系,但目前达到商业标准的收敛、优化、建模技术还没有实际解决,成本高,稳定性差特点,技术还在研究阶段。

 

车载电池管理系统SOC现状分析与挑战

■卡尔曼滤波法是匈牙利的R.E.Kalman 在 1960 年提出的基于最小均方差的数字滤波算法,用于最优估算动态系统状态。优点是对 的初始误差有很强的修正作用,缺点是需要较强的数据处理能力,准确度由电池模型决定。目前研究热度很大。

总结来说,神经网络法太难,卡尔曼滤波法研究非常多,但并不知道实际技术运行数据,放电法无法实际运用,安时积分和开路电压法单独使用误差很大。目前主流的方法是安时积分加开路电压法结合,实践起来较为容易,惠州亿能、科列和CATL等的乘用车误差基本可以实现在5%以内。

安时积分法和开路电压法影响因素影响因素也非常多,这些因素的分析对我们深入了解电池特性非常有必要,也能通过分析不断提高和改进SOC精确度的发展方向。

三、影响因素

SOC的准确性与动力电池密切相关,即使用安时积分和开路电压计算,但也需要其他影响因素的修正系数。开路电压、瞬时电流、充放电倍率、环境温度、电池温度、停放时间、自放电率、库伦效率、电阻特性、SOC初值、DOD以及材料特性和工艺等因素彼此相关,共同决定和影响SOC状态,下面我们将一一分析。

■开路电压是指电池未接负载两端的电压值。由于开路电压稳定值与SOC的大小存在曲线对应关系,特定的电池批次产品能通过拟合开路电压与SOC的数值关系,通过电压来判定SOC值,但实际运行过程中:

温度越高,开路电压越高。温度升高,电解液粘度越低,介电常数提高,欧姆内阻降低,电压升高;电极活性材料利用率越高,活化极化降低,锂离子迁移阻力降低,电压升高,同时容量和放电功率提高。温度降低情况相反。

 

车载电池管理系统SOC现状分析与挑战

(配图以磷酸铁锂实验数据为参考)

内阻越低,开路电压越高。

充电使开路电压变高,因为受到电极极化影响,电化学反应速度赶不上充电电荷传递速度,形成极化电势,使充电过程中和结束后一段时间开路电压高于稳定值。倍率越大极化越大,瞬时电压与真实电压误差越大。(这也是为何大电流充电电量不经用的原因——高倍率充电状态的电压值短时间偏大导致SOC值偏大,此时SOC值如果未计入高倍率充电误差系数将会失真严重)放电情况相反。

■瞬时放电电流高,电子迁移出去但正价锂离子还未迁移出去,使负极电势提高,正极得到电子但正价锂离子还未嵌入,使正极电势降低,两者情况共同作用,使总开路电压降低。倍率越高越明显,瞬时放电相反。

■温度越高,内阻越低,电解液离子迁移速度越快,电极活性提高,相对可以提高电池的容量和输出功率。实际SOC因温度升高变高,温度降低而变低。

■停放时间一是因为极化电势的衰减,二是自放电导致电量降低。当时间足够长,与自放电率的乘积便是电量修正减值。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子