不同温度下动力电池管理系统SOC估算特性

  工业和信息化部电子第五研究所芜湖实验室   2021-01-10 次浏览

1 SOC 估算方法

动力BMS常见的SOC 估算方法有安时积分法、放电实验法、开路电压法和内阻法等， 下面对本文涉及的安时积分法和放电实验法进行简单的介绍。

1.1安时积分法

安时积分法是由日本的CHUGOKU Electric Power Co.Inc的TechnicalResearchCenter提出，是目前最常用的SOC估算方法，其原理是在已知电池的初始值（SOC0）的前提下，通过计算电流对充放电时间的积分，得出变化电流的百分比ΔSOC，最终算出初始SOC0和变化ΔSOC之差， 即为剩余电量SOC， 其计算公式为： 

式（2）中：CN———动力电池额定容量；I———t时刻流经电池的电流；η———充放电效率。

1.2放电实验法

放电实验法常应用在实验室内，是最简单、直接的SOC估算方法，适用于所有的电池。其主要原理是：电池以恒定电流进行放电，放电电流与时间的乘积作为电池的剩余电量Q剩余，而剩余电量占额定电量Q额定的百分比即为电池的SOC，其公式为：

式（3）中：I———放电电流；t———恒流放电所用的时间。

2 试验方案

2.1试验对象

本文研究的对象是2套某磷酸铁锂动力电池系统（编号分别为1#、2#），额定电压为318V，额定容量为82Ah（25℃，1C）。BMS的设计商为安徽贵博新能源科技有限公司，版本号为S51EV_CANLIST-UPPER；充放电设备的制造商为深圳市瑞能实业股份有限公司，型号为RCDS-750V400A；温度箱的制造商为广州五所环境仪器设备有限公司，型号为CW12670W2A。

2.2试验步骤

本试验方案的步骤参考标准QC/T897-2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》。选择高温（45℃）、常温（25℃）和低温（0℃）3个温度点进行测试。提供模拟输入放电回路闭合所需的12V供电电源，上位机向动力电池系统发送行驶模拟命令，放电回路接触器闭合。以下以45℃的试验方案为例进行介绍。

2.2.1可用容量测试

a）以8.2A（0.1C）恒流充电，充电至最大单体电压≥4.25V截止；

b）静置大于30min，且电池组系统检测的温度为（45±2）℃；

c）45℃可用容量测试放电按照表1中的条件进行，即：0℃以电流87A、25℃以电流97A放电至240V截止；

d）静置大于30min，且电池组系统检测的温度为（45±2）℃，记录放电过程总的放电量Q01；

e）重复b）~e），放电量分别为Q02、Q03，3次放电量的算术平均值为Q0。

如果Q01、Q02和Q03与Q0的偏差均小于2%，则Q0为电池组系统的可用容量。否则继续a）~e）试验步骤，直到满足小于2%的条件为止。

2.2.2 SOC≥80%

a）以可用容量测试时所采用的充电规范将电池组系统充电至满电状态：以8.2A（0.1C）恒流充电，充电至最大单体电压≥4.25V截止；

b）静置大于30min，且电池组系统检测的温度为（45±2）℃；

c）以1Q0A放电10min；

d）静置10min；

e）采用充放电工况（方法如图1所示），进行10个循环测试；

f）静置10min；

g）以Q0/3A充电20min；

h）以Q0/6A充电10min；i）静置10min；

j）记录BMS上报的SOC值为其估算值；

k）以可用容量测试时所采用的充电规范将电池组系统充电至满电状态，记录充电量Q1；

l）SOC真值按（Q0-Q1）/Q0计。

2.2.330%＜SOC＜80%

a）以可用容量测试时所采用的充电规范将电池组系统充电至满电状态；

b）静置大于30min，且电池组系统检测的温度为（45±2）℃；

c）以1Q0A放电20min；

d）静置15min；

e）采用充放电工况，进行10个循环测试；

f）静置10min；

g）记录电池管理系统上报SOC值为其估算值；

h）以可用容量测试时所采取的放电规范将电池组系统放电，记录放电电量Q2；

i）SOC真值按Q2/Q0计。

2.2.4SOC≤30%

a）以可用容量测试时所采用的充电规范将电池组系统充电至满电状态；

b）静置大于30min，且电池组系统检测的温度为（45±2）℃；

c）以1Q0A放电40min；d）静置20min；

e）采用充放电工况，进行10个循环测试；

f）静置10min；

g）记录BMS上报SOC值为其估算值；

h）以可用容量测试时所采取的放电规范将电池组系统放电，记录放电电量Q3；

i）SOC真值按Q3/Q0计。

3结果分析

通过对试验数据进行处理、分析，得到不同温度下动力电池SOC估算结果和误差如图2和表2所示。在25、0、45℃温度环境下，两个样品的估算误差均未超过5%（标准QC/T897-2011中对SOC估算误差要求是不大于10%），说明该款BMS的SOC估算整体效果较好。

1#、2#电池的SOC估算最大误差均在0℃、SOC≤30%的条件下，在0℃、SOC≥80%的条件下误差也较高，但在0℃、30%＜SOC＜80%的条件下误差较小，其他温度、SOC的条件下SOC估算误差的整体波动较小，即SOC的估算误差在低温时波动、误差相对较大，说明SOC估算误差受温度影响。

对比1#、2#电池每个温度条件下的SOC估算误差发现，在SOC≤30%的条件下其误差均是最大，在常温和高温时剩余电量越高，SOC估算误差越低，精度越好，说明SOC估算误差受电池当前所剩电量的影响。

4结束语

本文主要针对高温、低温和常温下动力电池系统的SOC估算误差进行了试验方案设计，通过对试验数据进行分析，得出了以下几点结论，可为动力电池系统SOC估算方法的改进提供指导：

1）SOC估算误差受温度影响，低温时误差较大，高温下和常温误差变化不明显；

2）SOC估算误差受电池当前所剩电量的影响，剩余电量越低，误差越大；

3）温度越低、剩余电量越少时SOC估算误差越大。

（文章来源：工业和信息化部电子第五研究所芜湖实验室）