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动力电池重要参数定义及测量计算方法

原标题:动力电池重要参数定义及测量计算方法

1. 概述

本文档的编写主要是为了方便公司内部研发人员更加快速清楚地认识电池的一些重要特性参数及其测量计算方法,主要包括动力电池的荷电状态SOC,电池健康状态SOH,内阻R等。

此文档主要参考了动力电池的国家标准与行业标准,以及网上的一些权威资料信息,同时结合自身工作经验整合编写而成。

2. 电池荷电状态SOC及估算方法

2.1 电池荷电状态SOC的定义

电池的荷电状态SOC被用来反映电池的剩余电量情况,其定义为当前可用容量占初始容量的百分比(国标)。

美国先进电池联合会(USABC)的《电动汽车电池实验手册》中将SOC定义如下:在指定的放电倍率下,电池剩余电量与等同条件下额定容量的比值。

SOC=QO/QN

日本本田公司的电动汽车(EV Plus)定义SOC如下:

SOC = 剩余容量/(额定容量-容量衰减因子)

其中剩余容量=额定容量-净放电量-自放电量-温度补偿。

动力电池的剩余电量是影响电动汽车的续驶里程和行驶性能的主要因素,准确的SOC估算可以提高电池的能量效率,延长电池的使用寿命,从而保证电动汽车更好的行驶,同时SOC也是作为电池充放电控制和电池均衡的重要依据。

实际应用中,我们需要根据电池的可测量值如电压电流结合电池内外界影响因素(温度、寿命等)来实现电池SOC的估算算法。但是SOC受自身内部工作环境和外界多方面因素而呈非线性特性,所以要实现良好的SOC估算算法必须克服这些问题。

目前,国内外在电池SOC估算上已经部分实现并运用到工程上,如安时法、内阻法、开路电压法等。这些算法共同特点是易于实现,但是对实际工况中的内外界影响因素缺乏考虑而导致适应性差,难以满足BMS对估算精度不断提高的要求。所以在考虑SOC受到多种因素影响后,一些较为复杂的算法被提出,例如:卡尔曼滤波算法、神经网络算法、模糊估计算法等新型算法,相比于之前的传统算法其计算量大,但精度更高,其中卡尔曼滤波在计算精度和适应性上都有很好的表现。

2.2 几种SOC估算算法简介

(1) 安时法

安时法又被称为电流积分法,也是计算电池SOC的基础。假设当前电池SOC初始值为SOC0在经过t时间的充电或放电后SOC为:

Q0是电池的额定容量,i(t)是电池充放电电流(放电为正)。

事实上,SOC定义为电池的荷电状态,而电池荷电状态就是电池电流的积分,所以理论上讲安时法是最准确的。同时,它也易于实现,只需测量电池充放电电流和时间,而在实际工程应用时,采用离散化计算公式如下:

在电池实际工作中使用安时法计算SOC,受到测量误差和噪声干扰因素会对测量结果造成影响从而无法正确估算SOC(自放电及温度等因素也没有考虑),同时电池的初始SOC值无法通过安时法得到。通常,安时法使用上次电池充放电保留的SOC值作为下次计算初始值,但这样会使SOC误差不断累积。所以实际工程上安时法一般作为其他算法的基础或结合其他算法来进行估算。

(2) 开路电压法

锂离子电池的电动势与电池的SOC之间存在一定的函数关系,由此可以通过开路电压进行测量从而得到电池的SOC值。要通过开路电压法得到电池电动势的准确值,首先需要电池静置一段时间,此时的开路电压(OCV)的值可以认为与其电动势数值相等,这样就可以得到电池电动势并以此得到电池的SOC。通过实验获得锂电池充放电的SOC-OCV曲线,然后根据SOC-OCV曲线查询不同开路电压的SOC值。

开路电压法需要电池在一段时间静置下以消除电池电压、容量在外界因素影响下造成的误差,不适用于电池SOC的实时测量。另外,电池SOC在中间段开路电压变化很小,导致中间SOC测量及估算误差较大。

(3) 卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法是利用系统和测量动态的知识、假设的系统噪声和测量误差的统计特性,以及初始条件信息,对测量值进行处理,求得系统状态的最小误差估计。

电动汽车用的电池组,可看作是由输入和输出组成的动态系统。在了解系统一定先验知识的前提下,建立系统的状态参数方程,再利用输出的校验作用,获得对系统包括荷电状态在内无法直接测量的内部参数估计。在电池等效电路模型或电化学模型的基础上,建立系统的状态方程和测量方程。根据电池组放电试验数据,应用卡尔曼滤波算法估计电池组的开路电压,实现对电池荷电状态的估计。其优点是能够根据采集到的电压电流,由递推法法得到SOC的最小方差估计,解决SOC初值估计不准和累计误差的问题;缺点是对电池模型依赖性很强,对系统处理器的速度要求较高。

3.电池健康状态(SOH)定义与计算

3.1 电池健康状态SOH的定义

电池SOH的标准定义是在标准条件下动力电池从充满状态以一定倍率放电至截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量(实际初始容量)的比值,该比值是电池健康状况的一种反映。

简单来说,也就是电池使用一段时间后某些直接可测或间接计算得到的性能参数的实际值与标称值的比值,用来判断电池健康状况下降后的状态,衡量电池的健康程度,其实际表现在电池内部某些参数(如内阻、容量等)的变化上。

故根据电池特征量定义电池健康状态SOH具体有如下几种方法:

(1) 从电池剩余电量的角度定义SOH:

SOH=Qaged/Qnew

其中,Qaged为电池当前可用的最大电量,Qnew为电池未使用时的最大电量。

(2) 从电池容量的角度定义SOH:

SOH=CM/CN

其中,CM为电池当前测量容量,CN为电池标称容量。

(3)从电池内阻的角度定义SOH:

SOH=(REOL-R)/(REOL-Rnew)

其中,REOL为电池寿命终结时的电池内阻,Rnew为电池出厂时的内阻,R为电池当前状态下的内阻。

注:上面从电池剩余电量或电池容量来定义SOH的公式并不是SOH的实际计算公式,这只是一种定义的方法,即这种定义的方法有唯一的对应函数来与实际的SOH对应。比如,基于单体电池的容量,SOH实际可用下面公式计算:

SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)

其中CEOL为电池寿命终止(报废)时的容量,是一个常数。上面SOH的计算公式其实与(2)中的定义是等效的。

下面简单给出推导:设定义中SOH= CM/CN=X, 计算公式中SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)=Y,假设CEOL=pCN,则Y=( XCN-pCN)/(CN-pCN)=(X-p)/(1-p),即Y是关于X的一个函数(线性关系),其中p为常数。

3.2 几种常见的SOH估算方法

(1)完全放电法

完全放电测试需要对电池进行一个完全的放电循环,然后测试出放电容量与新电池的标称容量进行比较。这个方法是目前公认最可靠的方法,但是这种方法的缺点也很明显,需要电池离线测试和较长的测试时间,测试完之后需对电池重新充电。

(2)内阻法

通过建立内阻与SOH之间的关系来进行SOH估算,大量研究表明电池内阻和SOH之前存在一定的对应关系。随着电池使用时间的增长,电池的内阻会随之增加,电池的可用电量同时会不断减少,通过这点来进行SOH估算。

这种方法也有缺点:大量研究表明,当电池容量下降到原来的70%—80%时电池的欧姆内阻才会发生显著变化,这与一般规定的80%可能有相当的差距。同时电池的内阻本来就是毫欧级别的数值,它的在线准确测量也是一个难点。

(3) 电化学阻抗法

这是一种较复杂的方法,通过对电池施加多个不同频率的正弦信号,然后根据模糊理论对已经采集的数据进行分析,从而获得此电池的特性,预测当前电池的性能。使用这种方法需要大量阻抗及阻抗谱相关理论,且需要较为昂贵的器材,故暂不推荐。

4.电池内阻R

电池的内阻很小,我们一般用毫欧mΩ)的单位来定义它。内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。正常情况下,内阻小的电池的大电流放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。

电池的内阻包括欧姆内阻RΩ和电化学极化内阻Re。对于锂离子电池来说,电池的欧姆内阻RΩ),主要有锂离子通过电解质时受到阻力所形成的电阻、隔膜电阻、电解质-电极界面的电阻和集电体(铜铝箔、电极)电阻等;电化学极化内阻(Re包括锂离子嵌入、脱嵌和离子扩散转移过程中的极化电阻、浓差极化电阻等。

欧姆内阻RΩ服从欧姆定律,电化学极化内阻Re不服从欧姆定律。不同类型的电池内阻不同。相同类型的电池,由于内部化学特性的不一致,内阻也不一样。另外,无论是RΩ还是Re都会随着电池使用条件的不同而变化(随SOC、SOH、温度等变化)。

目前对电池内阻的测量主要有直流测试法与交流测试法两种,分别对应测得电池的交流内阻和直流内阻。由于电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值;而测交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值(主要为欧姆内阻)。

直流放电内阻测量法:根据物理公式R=ΔV/ΔI,测试设备让电池在短时间内通过一个较大的恒定直流电流(目前一般使用40A-80A的大电流),测量此时电池两端的电压变化,并按公式计算出当前的电池内阻。

此法控制得当精确度可以控制在0.1%以内,但也有明显的不足:(1)只能测量大容量电池,小容量电池无法负荷如此大电流; (2)当电池通过大电流时,电池内部发生极化现象,产生极化内阻。故测量时间必须很短,否则测出的内阻值误差很大。

交流内阻测试方法:一般使用专门的测试仪器,其方法原理如下:利用电池等效于一个有源电阻的特点, 给电池施加一个固定频率和固定电流大小的交流信号(目前一般使用1kHz频率、50mA小电流),然后对其电压进行采样,经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。

交流内阻测试法有如下特点:(1)可以测量几乎所有的电池,包括小容量电池,且对电池本身不会有太大损坏;(2)精度可能受纹波/谐波电流干扰,对测量仪器电路的抗干扰能力要求高;(3)无法实时在线测量。

5.动力电池自放电率测试

电池的自放电又称荷电保持能力,它是指在开路状态下,电池存储的电量在一定环境条件下的保持能力(或内部的自发反应而引起的化学能损失)。一般来说,自放电主要受电池制造工艺、材料、储存条件的影响。

自放电=[(初始容量—搁置后容量)/(初始容量×搁置时间)]×100%

通常电池储存温度越低,自放电率也越低,但也应注意温度过低或过高均有可能造成电池损坏无法使用。一般地说,常规电池要求储存温度范围为-20~45℃。电池充满电开路放置一段时间后,一定程度的自放电属于正常现象。锂离子电池的自放电率相对于其他类型电池来说还是微不足道的,且引起的容量损失大部分都可以恢复,这是由锂电池结构所决定的。但是在不适宜的环境温度下,锂电池的自放电率还是很惊人的,这会对电池的使用寿命产生很大影响。同时,单体电池自放电的不一致性是影响电池组一致性的重要因素,自放电差别大,使用过程中电池的不一致性会较快体现出来。

6.温度特性

动力电池的容量、充放电内阻与开路电压都受温度的影响。

(1) 环境温度对磷酸铁锂电池容量的影响很大,低温时容量迅速衰减,在一定范围内温度升高时容量迅速增大,但其变化速率小于低温时,超出某一范围后容量又随温度升高出现衰减。

(2) 环境温度对电池欧姆内阻和总内阻的影响很明显,一般地,温度越低内阻越大,欧姆内阻比极化内阻对温度更敏感,欧姆内阻的变化对低温更敏感。

(3) 电池的SOC-OCV曲线在不同温度下的差异较小,温度越低,SOC-OCV曲线越低。且低温下曲线的偏离速度更大。

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