實(shí)際使用工況的鋰離子電池SOC-OCV關(guān)系樊彬;任山;羅運(yùn)俊【摘要】通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池荷電狀態(tài)(SOC)與開(kāi)路電壓(OCV)的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)其SOC與OCV有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;同時(shí)，在電池實(shí)際使用工況(不同使用溫度和不同使用壽命)條件下，通過(guò)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(jì)方法從而為開(kāi)發(fā)基于OCV的實(shí)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(chēng)】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2018(042)005【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P641-644)【關(guān)鍵詞】荷電狀態(tài);開(kāi)路電壓;實(shí)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(yùn)俊【作者單位】中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津300300【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TM912.9近年來(lái)隨著全球能源與環(huán)境等問(wèn)題日益擴(kuò)大，電動(dòng)汽車(chē)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(jiǎn)單、使用維修方便等優(yōu)勢(shì)，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(dòng)汽車(chē)能源供給部件，憑借其優(yōu)良的性能，近年來(lái)已成為電動(dòng)汽車(chē)研究的重點(diǎn)方向。鋰離子電池荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)一直是電池研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)［2］。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，準(zhǔn)確的SOC估計(jì)是保證動(dòng)力電池在工作范圍內(nèi)充、放電的主要依據(jù)，是提高動(dòng)力電池使用壽命、優(yōu)化駕駛工況、保證電動(dòng)汽車(chē)能量使用效率的前提；對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，整車(chē)控制策略需要根據(jù)SOC估計(jì)值來(lái)調(diào)整，從而提升電能的使用效率并延長(zhǎng)車(chē)輛的續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)油環(huán)保的功能［3］。鋰離子電池SOC的估計(jì)方法有很多，其中開(kāi)路電壓(OCV)法是預(yù)測(cè)電池初始SOC最為常用和有效的方法。當(dāng)電池處于靜態(tài)或無(wú)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，電池OCV和SOC存在一定的數(shù)學(xué)比例關(guān)系，因此在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)前，電池管理系統(tǒng)可通過(guò)測(cè)量OCV來(lái)估計(jì)電池的SOC。開(kāi)路電壓法適用于電動(dòng)汽車(chē)停車(chē)狀態(tài)，在充電初期和末期SOC估計(jì)效果好，所以通常其他估算方法往往都使用開(kāi)路電壓法來(lái)解決SOC的初始值問(wèn)題。因此，如何提高開(kāi)路電壓法估算電池SOC初始值的精度是準(zhǔn)確估計(jì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池SOC的重要課題［4］。本文以電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池為研究對(duì)象，結(jié)合鋰離子電池實(shí)際使用工況下的特性，通過(guò)對(duì)SOC與OCV的關(guān)系研究，為開(kāi)發(fā)基于OCV的實(shí)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(jì)及影響因素鋰離子電池SOC用于描述動(dòng)力電池的剩余電量，是一個(gè)相對(duì)量，可以用剩余電量與額定容量的比值表示，是電動(dòng)汽車(chē)電池使用的重要參數(shù)之一。電動(dòng)汽車(chē)電池的SOC作用與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的油量計(jì)作用相近，兩者都可以提供汽車(chē)?yán)m(xù)航里程相關(guān)信息，但是，SOC與油量計(jì)還有許多不同點(diǎn)，主要在于［5］:使用作用不同，油量計(jì)只作為單一顯示，而SOC同時(shí)是電動(dòng)汽車(chē)充放電控制和動(dòng)力優(yōu)化管理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)動(dòng)力電池的使用壽命、汽車(chē)的動(dòng)力性能及續(xù)航里程預(yù)測(cè)都有著直接的影響。表達(dá)方式不同，傳統(tǒng)燃?xì)馄?chē)可以通過(guò)油量表來(lái)顯示剩余油量，而電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池剩余電量的SOC無(wú)法直接測(cè)量，只能借助一些可直接測(cè)量的物理量，間接地對(duì)其進(jìn)行估計(jì)。故在電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的使用過(guò)程中，研究切實(shí)可用的SOC估計(jì)方法是非常有意義的，同時(shí)，也是非常有難度的，這是因?yàn)殇囯x子電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，而且實(shí)際使用工況下影響電池SOC的因素有很多，需要對(duì)影響因素進(jìn)行分析，加以修正以提高估計(jì)精度［6］，影響因素主要有以下兩點(diǎn)：(1)使用溫度電池溫度發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致電池容量變化，從而使得SOC估計(jì)不準(zhǔn)確。溫度升高時(shí)，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(qiáng)，實(shí)際可用電量必然增加，但是溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)的進(jìn)行又會(huì)受到抑制，性能降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸；反之，溫度降低時(shí)，活性物質(zhì)利用率和實(shí)際可用電量將減少。由此可知，溫度對(duì)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(dòng)力電池的使用壽命用循環(huán)次數(shù)來(lái)衡量，經(jīng)歷一次充放電稱(chēng)為一個(gè)周期，也就是電量由100%用到0%，再由0%充電至100%的過(guò)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(huì)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(jì)精度的一個(gè)重要因素，需要在估計(jì)中添加容量衰減因子作為校正系數(shù)。1.2SOC估計(jì)方法-開(kāi)路電壓法［7］電池OCV是指當(dāng)鋰離子電池處于無(wú)負(fù)載工作的情況下，充分靜置使電極的電位差達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)所測(cè)得的電壓，它可看作是電池靜態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)。OCV的數(shù)值大小決定于電池所采用的材料特性，如正負(fù)極材料、電解液材料和隔膜材料等。這就意味著當(dāng)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(shí)，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(shí)間有一定的關(guān)系。開(kāi)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(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)。OCV-SOC的關(guān)系在對(duì)電池SOC估算預(yù)測(cè)、電池模型的驗(yàn)證及電池模型參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中都難以避免的有所涉及，對(duì)解析電池內(nèi)部狀態(tài)影響巨大。實(shí)際運(yùn)用中，通常是將電池進(jìn)行放電處理，測(cè)得SOC值對(duì)應(yīng)的OCV值，并將兩者之間的數(shù)據(jù)對(duì)擬合成曲線或者表格形式，以用作SOC估計(jì)。開(kāi)路電壓法簡(jiǎn)便易行，在電池非工作狀態(tài)下，可對(duì)其SOC值進(jìn)行高精度估計(jì)［8］。本文即采用開(kāi)路電壓法研究電池不同實(shí)際使用工況下的SOC-OCV關(guān)系特性。2測(cè)試對(duì)象表1為試驗(yàn)用電池樣品的信息。表1試驗(yàn)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(shí)間的不同，呈現(xiàn)出比較大的差異［9］。為了準(zhǔn)確測(cè)量鋰離子放電后的OCV，本文首先對(duì)測(cè)試對(duì)象放電后OCV特性開(kāi)展研究工作。測(cè)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?xún)?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(shí)間的變化曲線如圖1所示，橫坐標(biāo)是靜置時(shí)間，縱坐標(biāo)是放電至不同SOC狀態(tài)后不同靜置時(shí)間電池電壓與放電截止電壓的變化差值。由圖1可見(jiàn)，不同SOC狀態(tài)的電池放電后電壓呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(dá)到200mV左右，約在180min以后趨于穩(wěn)定。因此，為了準(zhǔn)確研究電池不同SOC狀態(tài)與OCV的關(guān)系，以下研究過(guò)程中統(tǒng)一取靜置時(shí)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(cè)試需求，設(shè)計(jì)的SOC-OCV研究測(cè)試流程如下：采用1C電流對(duì)蓄電池進(jìn)行容量標(biāo)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(dāng)前SOC狀態(tài)下的OCV；⑸返回至(1)步驟，測(cè)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(jiàn)，SOC-OCV曲線是單調(diào)的，可以通過(guò)OCV得到電池的SOC。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到SOC-OCV的關(guān)系公式為三階多項(xiàng)式，具體如式(1)所示：4實(shí)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(shí)際使用工況條件下，其SOC估計(jì)會(huì)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(gè)因素。以下針對(duì)這兩個(gè)因素，開(kāi)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(cè)試方法是將電池正負(fù)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(shí)時(shí)測(cè)量電池開(kāi)路電壓和電池表面溫度。溫度變化一個(gè)周期后，在室溫下1C放出電池實(shí)際容量的10%，并擱置5h后繼續(xù)測(cè)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(shí)測(cè)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(jiàn)，不同SOC狀態(tài)下OCV隨溫度變化的趨勢(shì)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(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)容量衰減的情況，進(jìn)而對(duì)SOC準(zhǔn)確估計(jì)造成影響。首先進(jìn)行了測(cè)試對(duì)象1C充放800次循環(huán)試驗(yàn)，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(jiàn)，經(jīng)過(guò)800次循環(huán)后，電池容量由原來(lái)的26.60Ah衰減為22.94Ah，衰減率達(dá)到13.8%。為了分析容量衰減對(duì)電池SOC-OCV關(guān)系的影響，本文進(jìn)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(duì)比分析，得到的數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，如果不考慮容量衰減的影響，則不能準(zhǔn)確得到真實(shí)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(shuō)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(shí)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(jì)電池模型的作用是在電池運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電池端電壓和電池OCV之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，進(jìn)而真實(shí)和準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電池SOC的準(zhǔn)確估計(jì)。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(lái)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(dá)并對(duì)電池進(jìn)行全SOC范圍內(nèi)的建模，便于數(shù)學(xué)分析并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，在電動(dòng)汽車(chē)仿真中得到了廣泛應(yīng)用［10］。目前，常見(jiàn)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(diǎn)［11］：(1)模型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確地模擬鋰離子電池實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)特性；(2)基于模型的電路結(jié)構(gòu)，易于寫(xiě)出各模型參數(shù)相互關(guān)系的數(shù)學(xué)解析式，便于實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)優(yōu)化和仿真驗(yàn)證；(3)簡(jiǎn)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(zhǔn)確性?；谝陨铣Ｒ?jiàn)等效電路模型的特點(diǎn)，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(gè)電阻和兩個(gè)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(jiǎn)化的理想電壓源，Cb兩端的電壓Vb為電池的開(kāi)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(lái)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(shí)間常數(shù)較小的R1、C1環(huán)節(jié)用來(lái)描述鋰離子電極間傳輸時(shí)受到的阻抗，時(shí)間常數(shù)較大的R2、C2環(huán)節(jié)用來(lái)描述鋰離子電極材料中擴(kuò)散時(shí)受到的阻抗。通過(guò)對(duì)以上模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和擬合，就可以快速預(yù)估出電池不同實(shí)際使用工況的開(kāi)路電壓，改善需長(zhǎng)時(shí)間靜置電池才能獲得電池OCV這一特性。進(jìn)而基于式(4)，完成不同實(shí)際使用工況下的電池SOC狀態(tài)快速估計(jì)。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(xiàng)式；(2)開(kāi)展了實(shí)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(shí)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(guò)尋找規(guī)律公式，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和擬合，短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出電池的開(kāi)路電壓，進(jìn)而完成不同實(shí)際使用工況下的電池SOC狀態(tài)快速估計(jì)；⑷后續(xù)工作需要繼續(xù)研究不同種類(lèi)鋰離子電池在不同使用溫度、不同使用壽命等實(shí)際使用工況下的SOC-OCV關(guān)系，從而為開(kāi)發(fā)基于開(kāi)路電壓的實(shí)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(xiàn)：TIESF，TANCW.Areviewofenergysourcesandenergymanagementsysteminelectricvehicles[J].RenewableandSustainableEnergyReview