磷酸鐵鋰電池SOC估算研究

　　1  引言

　　為了應對能源危機，減緩全球氣候變暖，許多國家都開始重視節(jié)能減排和發(fā)展低碳經濟。電動汽車因為采用電力進行驅動，可以降低二氧化碳的排放量甚至實現(xiàn)零排放，所以得到各國的重視而迅速發(fā)展。但是電池成本仍然較高，動力電池的性能和價格是電驅動汽車發(fā)展的主要“瓶頸”。磷酸鐵鋰電池因其壽命長、安全性能好、成本低等優(yōu)點成為電動汽車的理想動力源。

　　隨著電動汽車的發(fā)展，電池管理系統(tǒng)（BMS）也得到了廣泛應用。為了充分發(fā)揮電池系統(tǒng)的動力性能、提高其使用的安全性、防止電池過充和過放，延長電池的使用壽命、優(yōu)化駕駛和提高電動汽車的使用性能，BMS系統(tǒng)就要對電池的荷電狀態(tài)即SOC（State-Of-Charge）進行準確估算。SOC是用來描述電池使用過程中可充入和放出容量的重要參數。

　　2  問題的提出

　　電池的SOC和很多因素相關（如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極化效應、電池壽命等），而且具有很強的非線性，給SOC實時在線估算帶來很大的困難。

　　目前電池SOC估算策略主要有：開路電壓法、安時計量法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法等。

　　開路電壓法的基本原理是將電池充分靜置，使電池端電壓恢復至開路電壓，靜置時間一般在1小時以上，不適合電動汽車的實時在線檢測。圖1比較了錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的開路電壓（OCV）與SOC的關系曲線，LiFePO4電池的OCV曲線比較平坦，因此單純用開路電壓法對其SOC進行估算比較困難。

圖1 錳酸鋰和磷酸鐵鋰的OCV-SOC曲線

　　目前實際應用的實時在線估算SOC的方法大多采用安時計量法，由于安時計量存在誤差，隨著使用時間的增加，累計誤差會越來越大，所以單獨采用該方法對電池的SOC進行估算并不能取得很好的效果。實際使用時，大多會和開路電壓法結合使用，但LiFePO4平坦的OCV-SOC曲線對安時計量的修正意義不大，所以有學者利用充放電后期電池極化電壓較大的特點來修正SOC,對于LiFePO4電池來講極化電壓明顯增加時的電池SOC大約在90%以上。電池的荷電狀態(tài)與充電電流的關系可分為3個階段進行：第一段，SOC低端（如SOC<10%），電池的內阻較大，電池不適合大電流充放電；第二段，電池的SOC中間段（如10%<SOC<90%），電池的可接受充電電流增加，電池可以以較大的電流充放電；第三段，電池的SOC高端（如SOC>90%），為了防止鋰的沉積和過放，電池可接受的充放電電流下降。從根本上講，為了防止電池處于極限工作條件時對電池壽命產生較壞的影響，應該控制電池不工作在SOC的兩端。因此，本文不建議利用電池處于SOC兩端時極化電壓較高的特點對SOC進行修正。

　　人工神經網絡法和卡爾曼濾波法所需的數據也主要依據電池電壓的變化才能得到較滿意的結果，所以都不能滿足LiFePO4電池對SOC的精度要求。

　　本文以純電動車使用的量產LiFePO4電池為研究對象，分析LiFePO4電池的特性，在現(xiàn)有的SOC估算分析基礎上提出一種準確的修正LiFePO4電池SOC的方法。