【干貨】磷酸鐵鋰電池的SOC估算研究

　　1、引言

　　為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，減緩全球氣候變暖，許多國(guó)家都開(kāi)始重視節(jié)能減排和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。電動(dòng)汽車(chē)因?yàn)椴捎秒娏M(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以降低二氧化碳的排放量甚至實(shí)現(xiàn)零排放，所以得到各國(guó)的重視而迅速發(fā)展。但是電池成本仍然較高，動(dòng)力電池的性能和價(jià)格是電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要“瓶頸”。磷酸鐵鋰電池因其壽命長(zhǎng)、安全性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力源。

　　隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，電池管理系統(tǒng)（BMS）也得到了廣泛應(yīng)用。為了充分發(fā)揮電池系統(tǒng)的動(dòng)力性能、提高其使用的安全性、防止電池過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)電池的使用壽命、優(yōu)化駕駛和提高電動(dòng)汽車(chē)的使用性能，BMS系統(tǒng)就要對(duì)電池的荷電狀態(tài)即SOC（State-Of-Charge）進(jìn)行準(zhǔn)確估算。SOC是用來(lái)描述電池使用過(guò)程中可充入和放出容量的重要參數(shù)。

　　2、問(wèn)題的提出

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

　　目前電池SOC估算策略主要有開(kāi)路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。

　　開(kāi)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(fù)至開(kāi)路電壓，靜置時(shí)間一般在1小時(shí)以上，不適合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。圖1比較了錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的開(kāi)路電壓（OCV）與SOC的關(guān)系曲線，LiFePO4電池的OCV曲線比較平坦，因此單純用開(kāi)路電壓法對(duì)其SOC進(jìn)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(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)在線估算SOC的方法大多采用安時(shí)計(jì)量法，由于安時(shí)計(jì)量存在誤差，隨著使用時(shí)間的增加，累計(jì)誤差會(huì)越來(lái)越大，所以單獨(dú)采用該方法對(duì)電池的SOC進(jìn)行估算并不能取得很好的效果。實(shí)際使用時(shí)，大多會(huì)和開(kāi)路電壓法結(jié)合使用，但LiFePO4平坦的OCV-SOC曲線對(duì)安時(shí)計(jì)量的修正意義不大，所以有學(xué)者利用充放電后期電池極化電壓較大的特點(diǎn)來(lái)修正SOC，對(duì)于LiFePO4電池來(lái)講極化電壓明顯增加時(shí)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(guān)系可分為3個(gè)階段進(jìn)行第一段，SOC低端（如SOC<10%），電池的內(nèi)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(guò)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(shí)對(duì)電池壽命產(chǎn)生較壞的影響，應(yīng)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(shí)極化電壓較高的特點(diǎn)對(duì)SOC進(jìn)行修正。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法所需的數(shù)據(jù)也主要依據(jù)電池電壓的變化才能得到較滿意的結(jié)果，所以都不能滿足LiFePO4電池對(duì)SOC的精度要求。

　　本文以純電動(dòng)車(chē)使用的量產(chǎn)LiFePO4電池為研究對(duì)象，分析LiFePO4電池的特性，在現(xiàn)有的SOC估算分析基礎(chǔ)上提出一種準(zhǔn)確的修正LiFePO4電池SOC的方法。

　　3、ΔQ/ΔV法

　　在電化學(xué)測(cè)量方法中，分析電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率和電極電勢(shì)的關(guān)系時(shí)，常用的方法是線性電勢(shì)掃描法（potentialsweep）控制電極電勢(shì)以恒定的速度變化，即，同時(shí)測(cè)量通過(guò)電極的電流。

　　這種方法在電化學(xué)中也常稱(chēng)為伏安法。線性掃描的速率對(duì)電極的極化曲線的形狀和數(shù)值影響很大，當(dāng)電池在充放電過(guò)程中存在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，掃描速率越快，電極的極化電壓越大，只有當(dāng)掃描速率足夠慢時(shí)，才可以得到穩(wěn)定的伏安特性曲線，此時(shí)曲線主要反映了電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率和電極電勢(shì)的關(guān)系。伏安曲線反應(yīng)著電池的重要特性信息，但實(shí)際的工程應(yīng)用中基本沒(méi)有進(jìn)行伏安曲線的實(shí)時(shí)測(cè)量。

　　究其原因主要是在電池的充放電過(guò)程中沒(méi)有線性電勢(shì)掃描的條件，使得無(wú)法直接得到電池的伏安曲線。

　　恒流-恒壓（CC-CV）充電方法是目前常用的電池充電方法，電勢(shì)掃描中電勢(shì)總是以恒定的速率變化，電化學(xué)反應(yīng)速率是隨著電勢(shì)的變化而變化的，電池在一段時(shí)間（t1-t2）內(nèi)以電流i充入和放出的電量Q為

　　通過(guò)在線測(cè)量電池的電壓和電流，使電壓以充放電方向恒定變化，等間隔的得到一組電壓ΔV，并將電流在每個(gè)ΔV的時(shí)間區(qū)間上積分得到一組ΔQ，基于可在線測(cè)量的ΔQ/ΔV曲線可以反應(yīng)出電池在不同電極電勢(shì)點(diǎn)上的可充放容量的能力。圖2示出了20Ah的LiFePO4電池在1/20C恒流充電下的ΔQ/ΔV曲線。

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