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磷酸铁锂电池SOC估算研究.doc
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磷酸铁锂电池SOC估算研究.doc
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磷酸铁锂电池 SOC 估算研究
引言
为了应对能源危机,减轻全球气候变暖,许多国家都开始重视节
能减排和发展低碳经济。电动汽车因为采用电力进行驱动,可以降低
二氧化碳的排放量甚至实现零排放,所以得到各国的重视而迅速发展。
但是电池成本仍然较高,动力电池的性能和价格是电驱汽车发展的主
要“瓶颈”。磷酸铁锂电池因其寿命长、安全性能好、成本低等特点成
为电动汽车的理想动力源。
随着电动汽车的发展,电池管理系统(BMS)也达到了广泛应用。
为了充分发挥电池系统的动力性能、提高其使用的安全性、防止电池
过充和过放,延长电池的使用寿命、优化驾驶和提高电动汽车的使用
性能,BMS 系统就要对电池的荷电状态即 SOC(state-of-charge)进
行准确估算。SOC 是用来描述电池使用过程中可充和让放出容量的
重要参数。
问题的提出
电池的 SOC 和很多因素相关(如温度、前一刻充放电状态、极
化效应、电池寿命等),而且具有很强的非线性,给 SOC 实时在线估
算带来很大的困难。
目前电池 SOC 估算策略主要有:开路电压法、按时计量法、人
工神经网络法、卡尔曼滤波法等。
开路电压法的基本原理是将电池充分静置,使电池端电压恢复至
开路电压,静置时间一般在 1 小时以上,不适合电动汽车的实时在线
监测。图 1 比较了锰酸锂电池和磷酸锂电池的开路电压(OCV)与
SOC 的关系曲线,Lifepo4 电池的 OCV 曲线比较平坦,因此单纯用
开路电压法对其 SOC 进行估算比较困难。
图 1 锰酸锂和磷酸锂的 OVC—SOC 曲线
目前实际应用的实时在线估算 SOC 的方法大多采用安时计量法,
由于安时计量存在误差,随着使用时间的增加,累积误差越来越大,
所以单独采用该方法对电池的 SOC 进行估算并不能取得很好的效果。
实际使用时,太多会和开路电压法结合使用,但 Lifepo4 平坦的
OCV-SOC 曲线对安时计量的修正意义不大,所以有学者利用充放电
后期电池极化电压较大的特点来修正 SOC,,对于 LIFEPO4 电池来讲
极化电压明显增加时的电池 SOC 大约在 90%以上。电池的荷电状态
与充电电流的关系可分为 3 个阶段进行:第一段,SOC 低端(如 SOC
<10%=,电池的内阻较大,电池不适合大电流充放电;第二段,电
池的 SOC 中间段(如 10%<SOC90%),电池可接受充电电流增加,
电池可以较大电流充放电;第三段,电池的 SOC 高端(如 SOC>90
%),为了防止锂的沉积与过放,电池可接受的充放电电流下降。从
根本上讲,为了防止电池处于极限工作条件时对电池寿命产生较坏的
影响,应该控制电池不工作在 SOC 的两端。因此,本文不建议利用
电池处于 SOC 两端时极化电压较高的特点对 SOC 进行修正。
人工神经网络法和卡尔曼滤波法所需的数据也主要依据电池电压
的变化才能得到较满意的结果,所以都不能满足 LIFEPO4 电池对
SOC 的精度要求。
本文以纯电动车使用的量产 LIFEPO4 电池作为研究对象,分析
LIFEPO4 电池的特征,在现有的 SOC 估算分析基础上提出一种准确
的修正 LIFEPO4 电池 SOC 的方法。
ΔQ /ΔV 法
在电化学测量方法中,分析电池内部化学反应速率和电极电势的
关系时,常用的方法时线性电势扫描法(Potentialsweep)控制电极电
势以恒定的速度变化,即 dΦ/dt=常数,同时测量通过电极的电流。
这种方法在电化学中也常称为伏安法。线性扫描的速率对电极的
极化曲线的形状和数值影响很大,当电池再充放电过程中存在电化学
反应时扫描速率越快,电极的极化电压越大,只有当扫描速率足够慢
时,才可以得到稳定的伏安特定曲线,此时曲线主要反映了电池的重
要特性信息,但实际的工程应用中基本没有进行伏安曲线的实时测量。
究其原因主要是在电池的充放电过程中没有线性电势扫描的条
件,使得无法直接得到电池的伏安曲线。
恒流-恒压(CC-CV)充电方法时目前常用的电池充电方法,电
势扫描中电势总是以恒定的速率变化,电化学反应速率时岁电势的变
化而变化的,电池在一段时间(t1-t2)内以电流 i 充入和放出的电量
Q 为:
ΔQ=∫(t1-t2)i×dt (1)
通过在线测量电池的电压和电流,是电压以充放电方向恒定变化,
等间隔的得到一组电压 ΔV,基于可在线测量的 ΔQ/ΔV 曲线可以反映
出电池在不同电极电势点上的可充放容量的能力。图 2 示出了 20Ah
的 LIFEPO4 电池在 1/20C 恒流充电下的 ΔQ/ΔV 曲线。
在 1/20C 充电电流下,通常认为电池的极化电压很小,也有人认
为该电流应力下的充电曲线近似于电池的 OVC 曲线。当电池电压随
着充电过程不断增加的时候,3.34V 和 3.37V 对应的 2 个 10mV 时间
段内累积充入的容量分别是 3.5A 和 3.2Ah。通过两个极大值后对应
的冲入容量开始下降。峰值对应较高的电化学反应速率,峰值后反应
物的浓度和流量器主导作用,参与化学反应的减少使得对应电压区间
的冲入容量减少。
图 2 LIFEPO4 电池在 1/20C 恒流充电的 ΔQ/ΔV 曲线
利用峰值 ΔQ 修正 SOC
锂离子电池是一个复杂的系统,从外特性上观察充放电的最大允
许电流(I)与电池容量(Q)、温度(T)、电池的荷电状态(SOC)、
电池的老化程度(SOH)以及电池的一致性(EQ)有重要作用,且
表现出较强的非线性,表示为:
I=f(Q,T,SOC,SOH,EQ) (2)
从内部电化学角度分析,充入和放出的容量对应着锂离子的在负
极的嵌入和脱出。对应着电压递增的充入容量的速率变化反应了电池
本身氧化还原过程的速率变化。LIFEPO4 电池的电压平台就是由正负
极的 FEPO4-LIFEPO4 相态变化和负极离子嵌入脱出共同作用形成
的。下面针对 LIFEPO4 电池的两个氧化还原峰来分析充放电电流倍
率、电池老化对电池的 SOC 修正的影响。
4.1 充放电电流倍率
从充电电流大小来衡量电池的性能是不恰当的,容量大的电池的
充电电流会增加。图 3 所示 20Ah 的单体电池在 1C、1/2C、1/3C 和
1/5C 倍率下的充电曲线。
电池实际可以在线测量到的电压是电池的两个极柱上的外电压
(UO)。电池的外电压等于电池的开路电压(OCV)加上电池的欧姆压
降(UR)以及电池的极化电压(UP)。不同充电倍率会导致电池的 UR
不同,电池对电流应力的接受能力的不同也会使 UP 不同。在需要修
正 SOC 的情况下,依靠电池电压曲线是不实际的。
图 3 不同充电倍率下的电池电压曲线
当电池充放电电流为 0,并且静置足够长的时间之后,电池的 UR
和 UP 都为 0,那么电池的开路电压 OCV 就等于电池的端电压 UO。
但是根据 OVC-SOC 曲线也不能准确修正 LIFEPO4 电池 SOC。
图 4 不同充电倍率下的 ΔSOC/ΔV 曲线
图 4 描述的是不同倍率的 ΔSOC/ΔV 曲线,为了更加直观的反映
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