温度对电池系统SOC估计精度的影响研究

谢贵婷陈明生

摘要：为明确温度对电池系统SOC估计精度的影响规律，利用充放电与环境测试设备，进行了电池系统的电性能试验研究。结果表明：温度对电池系统SOC的估算是有显著的影响，同时电池系统的SOC真值呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势，而BMS系统的记录值则是呈现一个持续增加的趋势，从而导致了SOC真值与记录值之间的误差产生；此外，在常温25℃条件下，SOC真值与记录值之间的误差最小。

关键词：动力机械及工程；动力电池；充放电；SOC

0引言

动力电池最重要的核心部件之一——电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）[1]能检测和估算动力电池的荷电状态SOC（Stateofcharge），SOC作为表征电池剩余容量的一个状态量，其估算精度[2]不仅可以有效预防动力电池的过充、过放电[3]，同时为电池合理使用和有效维护提供主要依据[4]。目前，各大研究机构及高等院校对于动力电池SOC估算的研究主要是基于常温环境下结构单一的电芯和模组的仿真与试验验证，由于验证条件不够充分，很难证明算法对不同温度条件的可行性，同时对由热管理[1]、均衡装置[5]和高压继电器等复杂电池管理系统（BMS）构成的能量型蓄电池系统在不同温度及SOC下的研究较少。本文利用充放电设备与环境仓等搭建了电池系统的电性能试验系统，分析了电池系统在不同环境温度、不同SOC下BMS系统对SOC估算精度的变化规律。

1试验流程

1.1试验布置

试验布局如图1所示。充放电测试系统型号EVT300-0800，电压与电流规格为800V/300A。防爆环境仓型号EC10-7015，内容积10m3，温度范围-70℃～+150℃，配备泄压装置与消防系统。

1.2试验步骤

试验条件及步骤如下：将电池系统按正常工作要求进行连接，接通电池管理系统工作电源，电池系统在45℃、25℃、0℃、-10℃条件下进行SOC≥80%及SOC≤30%的SOC估算精度试验[6]。

充放电工况时间累计情况如表1所示。

2.1温度对电池系统SOC（≥80%）估计精度的影响

不同温度下的SOC估计精度的试验数据如表2所示，将不同温度下电池系统的真实SOC与BMS记录SOC值作图形对比，研究温度对电池系统SOC≥80%估计精度的影响，如图2所示。图2（a）中红线为真实SOC在不同温度下的变化曲线，黑色为BMS系统记录的SOC变化曲线，图2（b）显示真实SOC与记录SOC两者间的误差百分比。由结果可知，BMS的记录值随温度的升高呈现出一个持续增长的趋势，而SOC真值随温度的变化呈现先快速增长后基本稳定的趋势；在-10℃～0℃区间BMS记录的SOC值小于SOC真值，而在25℃～45℃区间则相反；除此之外，在0～45℃区间真值与记录值之间的误差随着温度的增加先减少后增加，在25℃条件下误差最小，为2.41%，低温和高温区间的误差都较常温区域大。

图3不同温度条件下的工况测试结果(SOC≤30%)

3分析与讨论

图2（a）和图3（a）中SOC记录值在不同温度下的SOC变化曲线（黑线）随着温度的升高而持续增长的，而在实际应用中，电池系统的真实SOC值并不是随温度升高而增大的。虽然电池放电平均容量（如表2所示）与温度呈正相关变化，但是SOC值是充放电过程中的状态量，同一SOC状态下，温度比较低时，电池内阻随温度增加速率比较块，增幅较大，而温度比较高时，内阻随温度增加速率慢，增幅较小[7]，从而使电池的SOC变化缓慢，导致估算精度误差的产生。无论是在SOC≥80%或者SOC≤30%状态下，电池系统在0℃～25℃区间SOC真值是呈一个缓慢变化的，与BMS系统记录的SOC值形成了一个显著的差异，导致了真值与记录值之间误差值增大，估算精度较低。

由图2（b）和图3（b）中误差曲线在不同的温度下的变化趋势可以看出，在常温区域BMS系统的估算误差是最小的；在相同温度条件下，高SOC比低SOC估计精度误差相对更小，尤其是低温情况，且温度越低，低SOC系统的估算精度误差越大。这可能是由于BMS系统SOC估算的研究主要是基于常温环境下电池性能与SOC建立的关系，由于验证条件的不够充分，很难证明算法对其他温度下SOC精度估算的可行性[8]，因此，根据模型仿真取得的成果虽然在单一结构的电芯上得到了较好的验证，但在电池系统的实际应用中仍然存在局限性。

4结论

本文利用充放电测试系统，对电池系统的温度特性开展了试验研究。主要结论有：

（1）SOC≥80%时，电池系统的SOC的真值与估算值之间的误差随着温度的增加而呈现先降低后增加的趋势，在常温下的误差值最小，为2.41%。

（2）SOC≤30%时，电池系统的SOC的真值与估算值之间的误差同样随着温度的增加而呈现先降低后增加的趋势，常温是电池系统与BMS运行的最佳状态，误差值只有0.31%。

（3）同一荷电状态下，温度对电池系统的真值及BMS系统的估算值具有一定的影响，在低温区，电池系统的真值及BMS系统的估算值之间的误差百分比最大，高温区次之，常温区最小。

参考文献:

[1]谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].中山大学出版社，2011：99-104.

[2]PARKKB,KIMCE,MOOMGW,etal.ANewHighEfficiencyPWMSingle-SwitchIsolatedConverter[J].JournalofPowerElectronics,2007,7(4):301-309.

[3]CHERNTL,PANPL.Theresearchofsmartli-ionbatterymanagementsystem[C].IEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications,2007:2273-2277.

[4]PILLERS,PERRINM,JOSSENA.Methodsforstate-of-chargedeterminationandtheirapplications[J].JournalofPowersources,2001,96:113-120.

[5]DAOWDM,OMARN,BOSSCEHPVD,etal.PassiveandActiveBatteryBalancingComparisonbasedonMATLABSimulation[C].VehiclePower&PropulsionConference,2011:1-7.

[6]QC/T897.电动汽车用电池管理系统技术条件[S].中华人民共和国汽车行业标准,2011.

[7]杨光峰.电动汽车动力电池热性能仿真实验研究[D].长春：吉林大学，2017.

作者：谢贵婷，工学硕士，主要研究方向为电池系统。