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1、磷酸鐵鋰電池SOC估算研究引言為了應(yīng)對能源危機，減輕全球氣候變暖，許多國家都開始重視節(jié)能減排和發(fā)展低碳經(jīng)濟。電動汽車因為采用電力進(jìn)行驅(qū)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(qū)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、成本低等特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）也達(dá)到了廣泛應(yīng)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
2、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(jìn)行準(zhǔn)確估算。SOC是用來描述電池使用過程中可充和讓放出容量的重要參數(shù)。問題的提出電池的SOC和很多因素相關(guān)（如溫度、前一刻充放電狀態(tài)、極化效應(yīng)、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、按時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)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
3、實時在線監(jiān)測。圖1比較了錳酸鋰電池和磷酸鋰電池的開路電壓（OCV）與SOC的關(guān)系曲線，Lifepo4電池的OCV曲線比較平坦，因此單純用開路電壓法對其SOC進(jìn)行估算比較困難。圖1錳酸鋰和磷酸鋰的OVC—SOC曲線目前實際應(yīng)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，累積誤差越來越大，所以單獨采用該方法對電池的SOC進(jìn)行估算并不能取得很好的效果。實際使用時，太多會和開路電壓法結(jié)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(xué)者利用
4、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(guān)系可分為3個階段進(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％＜SOC90％），電池可接受充電電流增加，電池可以較大電流充放電；第三段，電池的SOC高端（如SOC＞90％），為了防止鋰的沉積與過放，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(chǎn)生較壞
5、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兩端時極化電壓較高的特點對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SOC的精度要求。本文以純電動車使用的量產(chǎn)LIFEPO4電池作為研究對象，分析LIFEPO4電池的特征，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。ΔQ/ΔV法在電化學(xué)測量方法中，分析電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率和電極電勢的關(guān)系時，常用的方法時線性電
6、勢掃描法（Potentialsweep）控制電極電勢以恒定的速度變化，即dΦ/dt=常數(shù)，同時測量通過電極的電流。這種方法在電化學(xué)中也常稱為伏安法。線性掃描的速率對電極的極化曲線的形狀和數(shù)值影響很大，當(dāng)電池再充放電過程中存在電化學(xué)反應(yīng)時掃描速率越快，電極的極化電壓越大，只有當(dāng)掃描速率足夠慢時，才可以得到穩(wěn)定的伏安特定曲線，此時曲線主要反映了電池的重要特性信息，但實際的工程應(yīng)用中基本沒有進(jìn)行伏安曲線的實時測量。究其原因主要是在電池的充放電過程中沒有線性電勢掃描的條件，使得無法直接得到電池的伏安曲線。恒流-恒壓
7、（CC-CV）充電方法時目前常用的電池充電方法，電勢掃描中電勢總是以恒定的速率變化，電化學(xué)反應(yīng)速率時歲電勢的變化而變化的，電池在一段時間（t1-t2）內(nèi)以電流i充入和放出的電量Q為：ΔQ=∫(t1-t2)i×dt（1）通過在線測量電池的電壓和電流，是電壓以充放電方向恒定變化，等間隔的得到一組電壓ΔV，基于可在線測量的ΔQ/ΔV曲線可以反映出電池在不同電極電勢點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。在1/20C充電電流下，通常認(rèn)為電池的極化電壓很小
8、，也有人認(rèn)為該電流應(yīng)力下的充電曲線近似于電池的OVC曲線。當(dāng)電池電壓隨著充電過程不斷增加的時候，3.34V和3.37V對應(yīng)的2個10mV時間段內(nèi)累積充入的容量分別是3.5A和3.2Ah。通過兩個極大值后對應(yīng)的沖入容量開始下降。峰值對應(yīng)較高的電化學(xué)反應(yīng)速率，峰值后反應(yīng)物的濃度和流量器主導(dǎo)作用，參與化學(xué)反應(yīng)的減少使得對應(yīng)電壓區(qū)間的沖入容量減少。圖2LIFEPO4電池在1/20C恒流充電的ΔQ/ΔV曲線利用峰值ΔQ修正
