實際使用工況的鋰離子電池SOC-OCV關(guān)系樊彬;任山;羅運俊【摘要】通過對電動汽車用鋰離子電池荷電狀態(tài)(SOC)與開路電壓(OCV)的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)其SOC與OCV有著良好的對應(yīng)關(guān)系;同時，在電池實際使用工況(不同使用溫度和不同使用壽命)條件下，通過溫度修正系數(shù)和容量衰減因子的調(diào)整,soc與OCV的關(guān)系仍能夠始終保持一致.最后提出了基于電池等效電路模型的快速SOC-OCV關(guān)系估計方法從而為開發(fā)基于OCV的實際使用工況下的電池管理控制策略提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.％TherelationshipbetweenSOCandOCVoflithiumionbatterywasstudied.It'sfoundthatSOChasgoodrelationshipwithOCV.Atthesametime,thetemperaturecorrectionfactorandcapacityfadingfactorwereadjustedtomaketherelationshipbetweenSOCandOCVstillconsistentunderactualapplicationconditioncontainingdifferenttemperatureandlife.AfastSOC-OCVrelationestimationmethodbasedonbatteryequivalentcircuitmodelwasputforward,providingtheoreticalbasisanddatasupportforthedevelopmentofbatterymanagementcontrolstrategybasedonOCVunderactualapplicationcondition.【期刊名稱】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2018(042)005【總頁數(shù)】4頁(P641-644)【關(guān)鍵詞】荷電狀態(tài);開路電壓;實際使用工況;溫度修正系數(shù);容量衰減因子【作者】樊彬;任山;羅運俊【作者單位】中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300【正文語種】中文【中圖分類】TM912.9近年來隨著全球能源與環(huán)境等問題日益擴大，電動汽車以其污染小、節(jié)約能源、優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便等優(yōu)勢，正處在從研發(fā)階段邁向生產(chǎn)應(yīng)用階段［1］。鋰離子電池作為電動汽車能源供給部件，憑借其優(yōu)良的性能，近年來已成為電動汽車研究的重點方向。鋰離子電池荷電狀態(tài)(SOC)估計一直是電池研究的重點和難點［2］。對于純電動汽車，準確的SOC估計是保證動力電池在工作范圍內(nèi)充、放電的主要依據(jù)，是提高動力電池使用壽命、優(yōu)化駕駛工況、保證電動汽車能量使用效率的前提；對于混合動力汽車，整車控制策略需要根據(jù)SOC估計值來調(diào)整，從而提升電能的使用效率并延長車輛的續(xù)駛里程，實現(xiàn)混合動力汽車節(jié)油環(huán)保的功能［3］。鋰離子電池SOC的估計方法有很多，其中開路電壓(OCV)法是預(yù)測電池初始SOC最為常用和有效的方法。當電池處于靜態(tài)或無負載狀態(tài)時，電池OCV和SOC存在一定的數(shù)學(xué)比例關(guān)系，因此在電動汽車啟動前，電池管理系統(tǒng)可通過測量OCV來估計電池的SOC。開路電壓法適用于電動汽車停車狀態(tài)，在充電初期和末期SOC估計效果好，所以通常其他估算方法往往都使用開路電壓法來解決SOC的初始值問題。因此，如何提高開路電壓法估算電池SOC初始值的精度是準確估計電動汽車動力電池SOC的重要課題［4］。本文以電動汽車用鋰離子電池為研究對象，結(jié)合鋰離子電池實際使用工況下的特性，通過對SOC與OCV的關(guān)系研究，為開發(fā)基于OCV的實際使用工況下的電池SOC控制管理策略提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1SOC-OCV關(guān)系研究理論基礎(chǔ)1.1鋰離子電池SOC估計及影響因素鋰離子電池SOC用于描述動力電池的剩余電量，是一個相對量，可以用剩余電量與額定容量的比值表示，是電動汽車電池使用的重要參數(shù)之一。電動汽車電池的SOC作用與內(nèi)燃機汽車的油量計作用相近，兩者都可以提供汽車續(xù)航里程相關(guān)信息，但是，SOC與油量計還有許多不同點，主要在于［5］:使用作用不同，油量計只作為單一顯示，而SOC同時是電動汽車充放電控制和動力優(yōu)化管理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)之一，對動力電池的使用壽命、汽車的動力性能及續(xù)航里程預(yù)測都有著直接的影響。表達方式不同，傳統(tǒng)燃氣汽車可以通過油量表來顯示剩余油量，而電動汽車動力電池剩余電量的SOC無法直接測量，只能借助一些可直接測量的物理量，間接地對其進行估計。故在電動汽車鋰離子動力電池的使用過程中，研究切實可用的SOC估計方法是非常有意義的，同時，也是非常有難度的，這是因為鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)過程較為復(fù)雜，而且實際使用工況下影響電池SOC的因素有很多，需要對影響因素進行分析，加以修正以提高估計精度［6］，影響因素主要有以下兩點：(1)使用溫度電池溫度發(fā)生變化會導(dǎo)致電池容量變化，從而使得SOC估計不準確。溫度升高時，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)加劇，活性物質(zhì)利用率增加，鋰離子傳遞能力加強，實際可用電量必然增加，但是溫度過高時，反應(yīng)的進行又會受到抑制，性能降低，嚴重時會發(fā)生爆炸；反之，溫度降低時，活性物質(zhì)利用率和實際可用電量將減少。由此可知，溫度對電池SOC的影響不是固定不變的，不同溫度段和溫度修正系數(shù)將直接影響SOC估算的精度。(2)使用壽命動力電池的使用壽命用循環(huán)次數(shù)來衡量，經(jīng)歷一次充放電稱為一個周期，也就是電量由100%用到0%，再由0%充電至100%的過程。隨著鋰電池循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)會發(fā)生老化變質(zhì)，導(dǎo)致內(nèi)阻增大，容量下降。因此電池使用壽命也是影響電池SOC估計精度的一個重要因素，需要在估計中添加容量衰減因子作為校正系數(shù)。1.2SOC估計方法-開路電壓法［7］電池OCV是指當鋰離子電池處于無負載工作的情況下，充分靜置使電極的電位差達到平衡狀態(tài)時所測得的電壓，它可看作是電池靜態(tài)下的電動勢。OCV的數(shù)值大小決定于電池所采用的材料特性，如正負極材料、電解液材料和隔膜材料等。這就意味著當兩種電池的材料組成完全一致，且兩種電池放出的容量相同時，就算兩者的電池體積不一致，電池OCV也是一致的，此外電池的OCV數(shù)值還與靜置的時間有一定的關(guān)系。開路電壓法的工作原理是基于電池OCV-SOC存在的特定關(guān)系估計電池的內(nèi)部狀態(tài)。OCV-SOC的關(guān)系在對電池SOC估算預(yù)測、電池模型的驗證及電池模型參數(shù)辨識過程中都難以避免的有所涉及，對解析電池內(nèi)部狀態(tài)影響巨大。實際運用中，通常是將電池進行放電處理，測得SOC值對應(yīng)的OCV值，并將兩者之間的數(shù)據(jù)對擬合成曲線或者表格形式，以用作SOC估計。開路電壓法簡便易行，在電池非工作狀態(tài)下，可對其SOC值進行高精度估計［8］。本文即采用開路電壓法研究電池不同實際使用工況下的SOC-OCV關(guān)系特性。2測試對象表1為試驗用電池樣品的信息。表1試驗用鋰離子電池樣品信息3鋰離子電池SOC-OCV基本關(guān)系研究3.1鋰離子電池放電后OCV特性相關(guān)研究表明，鋰離子電池的SOC-OCV關(guān)系隨靜置時間的不同，呈現(xiàn)出比較大的差異［9］。為了準確測量鋰離子放電后的OCV，本文首先對測試對象放電后OCV特性開展研究工作。測試方法是先將蓄電池完全充電，以1C電流分別放電至90%SOC、60%SOC、30%SOC、0%SOC狀態(tài)后，靜置3h，觀察3h以內(nèi)的蓄電池電壓變化情況，得到的相關(guān)結(jié)果如圖1所示。圖1電池不同SOC狀態(tài)下電壓隨靜置時間的變化曲線如圖1所示，橫坐標是靜置時間，縱坐標是放電至不同SOC狀態(tài)后不同靜置時間電池電壓與放電截止電壓的變化差值。由圖1可見，不同SOC狀態(tài)的電池放電后電壓呈現(xiàn)增長趨勢，除0%SOC狀態(tài)以外，其他約在120min以后趨于穩(wěn)定，增加約100mV；電池低SOC狀態(tài)，其放電后電壓變化較大，達到200mV左右，約在180min以后趨于穩(wěn)定。因此，為了準確研究電池不同SOC狀態(tài)與OCV的關(guān)系，以下研究過程中統(tǒng)一取靜置時間為180min，并定義180min以后的電池端電壓為電池的OCV。3.2鋰離子電池SOC-OCV關(guān)系研究根據(jù)測試需求，設(shè)計的SOC-OCV研究測試流程如下：采用1C電流對蓄電池進行容量標定；蓄電池完全充電；⑶以1C電流放電6min，至指定SOC狀態(tài)；⑷靜置3h，取3h后的電池電壓為電池當前SOC狀態(tài)下的OCV；⑸返回至(1)步驟，測試其他SOC狀態(tài)下的OCV變化情況。最終得到SOC-OCV關(guān)系曲線如圖2所示。圖2電池SOC-OCV關(guān)系數(shù)據(jù)及擬合曲線從圖2可見，SOC-OCV曲線是單調(diào)的，可以通過OCV得到電池的SOC。對以上數(shù)據(jù)進行擬合，可得到SOC-OCV的關(guān)系公式為三階多項式，具體如式(1)所示：4實際使用工況下電池SOC-OCV關(guān)系研究如前所述，鋰離子電池在實際使用工況條件下，其SOC估計會受到多種因素的影響，其中比較重要的是使用溫度和使用壽命這兩個因素。以下針對這兩個因素，開展SOC-OCV關(guān)系研究工作。4.1基于溫度修正系數(shù)的SOC-OCV關(guān)系研究該部分測試方法是將電池正負極連接好導(dǎo)線，表面貼好熱電偶，并分別與數(shù)據(jù)記錄儀連接。將電池完全充電并充分冷卻后放入恒溫箱中，按照25°Ct40°Ct60°Ct0°Ct-10°Ct-20°C的順序，每3h變換一次溫度，并實時測量電池開路電壓和電池表面溫度。溫度變化一個周期后，在室溫下1C放出電池實際容量的10%，并擱置5h后繼續(xù)測量OCV隨溫度的變化，直至電池的SOC降為0。最終得到電池在不同SOC狀態(tài)下的溫度-電壓曲線。圖3是50%SOC狀態(tài)下實測的電池電壓與溫度關(guān)系曲線。圖3電池50%SOC狀態(tài)下電壓隨溫度變化曲線根據(jù)圖3，取電池不同溫度條件下3h后的電壓值為電池OCV，得到OCV與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。圖4電池OCV與溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)及擬合曲線由圖4可見，不同SOC狀態(tài)下OCV隨溫度變化的趨勢明顯，OCV隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的下降而下降，并且呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。在此定義溫度修正系數(shù)為K1,則不同使用溫度條件下SOC-OCV關(guān)系表示為式(2):式中：V(T)為不同使用溫度條件下的電池OCV。4.2基于容量衰減因子的SOC-OCV關(guān)系研究相關(guān)研究表明，鋰離子在實際使用過程中，會出現(xiàn)容量衰減的情況，進而對SOC準確估計造成影響。首先進行了測試對象1C充放800次循環(huán)試驗，得到該電池的容量衰減特性曲線如圖5所示。圖5電池800次循環(huán)容量衰減曲線由圖5可見，經(jīng)過800次循環(huán)后，電池容量由原來的26.60Ah衰減為22.94Ah，衰減率達到13.8%。為了分析容量衰減對電池SOC-OCV關(guān)系的影響，本文進行了不考慮容量衰減影響和考慮容量衰減影響兩種情況下的SOC-OCV關(guān)系對比分析，得到的數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可見，如果不考慮容量衰減的影響，則不能準確得到真實的SOC-OCV關(guān)系，特別是在低SOC范圍內(nèi)；如果考慮容量衰減，可以看出其SOC-OCV關(guān)系與新電池的SOC-OCV關(guān)系表現(xiàn)出比較好的一致性，即說明SOC-OCV關(guān)系受電池使用壽命的影響很小。因此，定義容量衰減因子為K2，則不同使用壽命條件下SOC-OCV關(guān)系表示為式：圖6電池SOC-OCV關(guān)系曲線式中：S(L)為不同使用循環(huán)壽命條件下的電池SOC。綜上所述，得到基于實際使用工況條件(不同使用溫度、不同使用壽命)下的SOC-OCV關(guān)系擬合公式(4)為：式中：K1為溫度修正系數(shù)；K2為容量衰減因子；V(T)為不同使用溫度條件下的電池OCV；S(L)為不同使用壽命條件下的電池SOC。5基于電池等效電路模型的快速SOC-OCV關(guān)系估計電池模型的作用是在電池運行過程中實現(xiàn)電池端電壓和電池OCV之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，進而真實和準確地實現(xiàn)電池SOC的準確估計。常用的電池模型包括電化學(xué)模型、等效電路模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和特定因素模型。其中等效電路模型是基于電池工作原理用電網(wǎng)絡(luò)理論來描述電池的工作特性，物理意義清晰，能夠用數(shù)學(xué)關(guān)系表達并對電池進行全SOC范圍內(nèi)的建模，便于數(shù)學(xué)分析并進行參數(shù)辨識，在電動汽車仿真中得到了廣泛應(yīng)用［10］。目前，常見的等效電路模型有Rint、RC、Thevenin和GNL模型，以上等效電路模型都具備以下特點［11］：(1)模型電路結(jié)構(gòu)簡單，能準確地模擬鋰離子電池實際工況下的動態(tài)或靜態(tài)特性；(2)基于模型的電路結(jié)構(gòu)，易于寫出各模型參數(shù)相互關(guān)系的數(shù)學(xué)解析式，便于實現(xiàn)模型的參數(shù)優(yōu)化和仿真驗證；(3)簡化了涉及與電池電化學(xué)原理有關(guān)的參數(shù)，四種電池模型的復(fù)雜程度依次遞增，便于提高電池模型的適應(yīng)性和準確性?；谝陨铣Ｒ姷刃щ娐纺Ｐ偷奶攸c，本文采用了一種新型的等效電路模型一一由GNL等效電路模型和Thevenin等效電路模型組成的二階RC模型，即模型由一個電阻和兩個RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖7所示。圖7二階RC等效電路模型圖7中電容Cb為簡化的理想電壓源，Cb兩端的電壓Vb為電池的開路電壓，它在一定的情況下與電池的SOC有固定的映射關(guān)系；電阻Ri用來描述電池的歐姆內(nèi)阻；R1、C1和R2、C2用于描述電池的極化效應(yīng)，時間常數(shù)較小的R1、C1環(huán)節(jié)用來描述鋰離子電極間傳輸時受到的阻抗，時間常數(shù)較大的R2、C2環(huán)節(jié)用來描述鋰離子電極材料中擴散時受到的阻抗。通過對以上模型參數(shù)進行辨識和擬合，就可以快速預(yù)估出電池不同實際使用工況的開路電壓，改善需長時間靜置電池才能獲得電池OCV這一特性。進而基于式(4)，完成不同實際使用工況下的電池SOC狀態(tài)快速估計。6小結(jié)(1)采取1C電流放電至指定SOC，并取靜置3h后電池電壓為電池OCV的方法，研究了鋰離子電池SOC-OCV關(guān)系，得到了SOC-OCV的關(guān)系擬合公式為三階多項式；(2)開展了實際使用工況下電池SOC-OCV關(guān)系研究，提出了基于溫度修正系數(shù)和容量衰減因子的實際使用工況條件下的SOC-OCV關(guān)系擬合公式(3)提出了一種基于二階RC等效電路模型，用于SOC-OCV估算的新思路。即通過尋找規(guī)律公式，對模型參數(shù)進行辨識和擬合，短時間內(nèi)計算出電池的開路電壓，進而完成不同實際使用工況下的電池SOC狀態(tài)快速估計；⑷后續(xù)工作需要繼續(xù)研究不同種類鋰離子電池在不同使用溫度、不同使用壽命等實際使用工況下的SOC-OCV關(guān)系，從而為開發(fā)基于開路電壓的實際使用工況下的電池管理控制策略提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。參考文獻：TIESF，TANCW.Areviewofenergysourcesandenergymanagementsysteminelectricvehicles[J].RenewableandSustainableEnergyReview