動力電池重要參數(shù)定義及測量計算方法

1、-精選文檔 -動力電池重要參數(shù)定義及測量計算方法1. 概述本文檔的編寫主要是為了方便公司內(nèi)部研發(fā)人員更加快速清楚地認識電池的一些重要特性參數(shù)及其測量計算方法。 主要包括動力電池的荷電狀態(tài) SOC，電池健康狀態(tài) SOH ，內(nèi)阻 R 等。此文檔主要參考了動力電池的國家標準與行業(yè)標準， 以及網(wǎng)上的一些權(quán)威資料信息，同時結(jié)合自身工作經(jīng)驗整合編寫而成。2. 電池荷電狀態(tài) SOC 及估算方法2.1 電池荷電狀態(tài) SOC 的定義電池的荷電狀態(tài) SOC 被用來反映電池的剩余電量情況，其定義為當(dāng)前可用容量占初始容量的百分比（國標） 。美國先進電池聯(lián)合會（ USABC）的電動汽車電池實驗手冊中將 SOC 定義如下

2、：在指定的放電倍率下，電池剩余電量與等同條件下額定容量的比值。SOC=Q O/Q N日本本田公司的電動汽車（EV Plus ）定義 SOC 如下：SOC = 剩余容量 /( 額定容量 -容量衰減因子 )其中剩余容量 = 額定容量 -凈放電量 -自放電量 - 溫度補償動力電池的剩余電量是影響電動汽車的續(xù)駛里程和行駛性能的主要因素，準確的SOC 估算可以提高電池的能量效率，延長電池的使用壽命，從而保證電動汽車更好的行駛，同時SOC 也是作為電池可編輯-精選文檔 -充放電控制和電池均衡的重要依據(jù)。實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)電池的可測量值如電壓電流結(jié)合電池內(nèi)外界影響因素（溫度、壽命等）來實現(xiàn)電池SOC

3、的估算算法。但是 SOC 受自身內(nèi)部工作環(huán)境和外界多方面因素而呈非線性特性，所以要實現(xiàn)良好的 SOC 估算算法必須克服這些問題。目前，國內(nèi)外在電池 SOC 估算上已經(jīng)部分實現(xiàn)并運用到工程上， 如安時法、內(nèi)阻法、開路電壓法等。 這些算法共同特點是易于實現(xiàn)， 但是對實際工況中的內(nèi)外界影響因素缺乏考慮而導(dǎo)致適應(yīng)性差，難以滿足 BMS 對估算精度不斷提高的要求。所以在考慮 SOC 受到多種因素影響后，一些較為復(fù)雜的算法被提出 ,例如：卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊估計算法等新型算法， 相比于之前的傳統(tǒng)算法其計算量大， 但精度更高，其中卡爾曼濾波在計算精度和適應(yīng)性上都有很好的表現(xiàn)。2.2幾種 SOC

4、 估算算法簡介（1）安時法安時法又被稱為電流積分法，也是計算電池 SOC 的基礎(chǔ)。假設(shè)當(dāng)前電池 SOC 初始值為 SOC0，在經(jīng)過 t 時間的充電或放電后 SOC 為：Q 0 是電池的額定容量， i(t) 是電池充放電電流（放電為正） 。事實上， SOC 定義為電池的荷電狀態(tài)，而電池荷電狀態(tài)就是電池電流的積分，所以理論上講安時法是最準確的。同時，它也易于實可編輯-精選文檔 -現(xiàn)，只需測量電池充放電電流和時間，而在實際工程應(yīng)用時，采用離散化計算公式如下：在電池實際工作中使用安時法計算 SOC，受到測量誤差和噪聲干擾因素會對測量結(jié)果造成影響從而無法正確估算 SOC（自放電及溫度等因素也沒有考慮），

5、同時電池的初始 SOC 值無法通過安時法得到。通常，安時法使用上次電池充放電保留的 SOC 值作為下次計算初始值，但這樣會使 SOC 誤差不斷累積。所以實際工程上安時法一般作為其他算法的基礎(chǔ)或結(jié)合其他算法來進行估算。（2）開路電壓法鋰離子電池的電動勢與電池的SOC 之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，由此可以通過開路電壓進行測量從而得到電池的 SOC 值。要通過開路電壓法得到電池電動勢的準確值， 首先需要電池靜置一段時間， 此時的開路電壓（OCV ）的值可以認為與其電動勢數(shù)值相等， 這樣就可以得到電池電動勢并以此得到電池的 SOC。通過實驗獲得鋰電池充放電的 SOC-OCV 曲線，然后根據(jù) SOC-OCV

6、 曲線查詢不同開路電壓的 SOC 值。開路電壓法需要電池在一段時間靜置下以消除電池電壓、 容量在外界因素影響下造成的誤差，不適用于電池 SOC 的實時測量。另外，電池 SOC 在中間段開路電壓變化很小， 導(dǎo)致中間 SOC 測量及估算誤差較大。可編輯-精選文檔 -（3）卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法是利用系統(tǒng)和測量動態(tài)的知識、 假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和測量誤差的統(tǒng)計特性，以及初始條件信息，對測量值進行處理，求得系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計。 電動汽車用的電池組， 可看作是由輸入和輸出組成的動態(tài)系統(tǒng)。 在了解系統(tǒng)一定先驗知識的前提下， 建立系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)方程， 再利用輸出的校驗作用， 獲得對系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)在內(nèi)無法直

7、接測量的內(nèi)部參數(shù)估計。 在電池等效電路模型或電化學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程。 根據(jù)電池組放電試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法估計電池組的開路電壓， 實現(xiàn)對電池荷電狀態(tài)的估計。其優(yōu)點是能夠根據(jù)采集到的電壓電流， 由遞推法法得到SOC的最小方差估計， 解決 SOC 初值估計不準和累計誤差的問題； 缺點是對電池模型依賴性很強，對系統(tǒng)處理器的速度要求較高。3. 電池健康狀態(tài)（ SOH ）定義與計算3.1 電池健康狀態(tài) SOH 的定義電池 SOH 的標準定義是在標準條件下動力電池從充滿狀態(tài)以一定倍率放電至截止電壓所放出的容量與其所對應(yīng)的標稱容量 （實際初始容量）的比值，該比值是電池健康狀況

8、的一種反映。簡單來說，也就是電池使用一段時間后某些直接可測或間接計算得到的性能參數(shù)的實際值與標稱值的比值， 用來判斷電池健康狀況下降后的狀態(tài)，衡量電池的健康程度， 其實際表現(xiàn)在電池內(nèi)部某些參數(shù)（如內(nèi)阻、容量等）的變化上。故根據(jù)電池特征量定義電池健康狀態(tài) SOH 具體有如下幾種方法：可編輯-精選文檔 -（1）從電池剩余電量的角度定義SOH ：SOH=Q aged /Q new其中， Qaged 為電池當(dāng)前可用的最大電量， Q new 為電池未使用時的最大電量。（2）從電池容量的角度定義SOH ：SOH=C M /C N其中， CM 為電池當(dāng)前測量容量，CN 為電池標稱容量。（3）從電池內(nèi)阻的角度

9、定義SOH ：SOH=(R EOL-R)/(R EOL-Rnew )其中， REOL 為電池壽命終結(jié)時的電池內(nèi)阻，Rnew 為電池出廠時的內(nèi)阻， R 為電池當(dāng)前狀態(tài)下的內(nèi)阻。注：上面從電池剩余電量或電池容量來定義SOH 的公式并不是SOH 的實際計算公式，這只是一種定義的方法，即這種定義的方法有唯一的對應(yīng)函數(shù)來與實際的SOH 對應(yīng)。比如，基于單體電池的容量， SOH 實際可用下面公式計算：SOH=(C M -C EOL)/(C N -C EOL)其中 CEOL 為電池壽命終止（報廢）時的容量，是一個常數(shù)。上面 SOH 的計算公式其實與（ 2）中的定義是等效的。下面簡單給出推導(dǎo)：設(shè)定義中 SOH

10、= C M /C N =X, 計算公式中SOH=(C M -C EOL)/(C N -C EOL)=Y,假設(shè) CEOL=pC N ，則 Y=( XC N-pC N )/(C N-pC N )=(X-p)/(1-p)，即 Y 是關(guān)于 X 的一個函數(shù)（線性關(guān)系），其中 p可編輯-精選文檔 -為常數(shù)。3.2 幾種常見的 SOH 估算方法（ 1）完全放電法完全放電測試需要對電池進行一個完全的放電循環(huán)， 然后測試出放電容量與新電池的標稱容量進行比較。這個方法是目前公認最可靠的方法，但是這種方法的缺點也很明顯，需要電池離線測試和較長的測試時間，測試完之后需對電池重新充電。（2）內(nèi)阻法通過建立內(nèi)阻與SOH

11、之間的關(guān)系來進行SOH 估算，大量研究表明電池內(nèi)阻和SOH 之前存在一定的對應(yīng)關(guān)系。隨著電池使用時間的增長，電池的內(nèi)阻會隨之增加，電池的可用電量同時會不斷減少，通過這點來進行SOH 估算。這種方法也有缺點：大量研究表明，當(dāng)電池容量下降到原來的70% 80% 時電池的歐姆內(nèi)阻才會發(fā)生顯著變化，這與一般規(guī)定的80% 可能有相當(dāng)?shù)牟罹?。同時電池的內(nèi)阻本來就是毫歐級別的數(shù)值，它的在線準確測量也是一個難點。（3）電化學(xué)阻抗法這是一種較復(fù)雜的方法， 通過對電池施加多個不同頻率的正弦信號，然后根據(jù)模糊理論對已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進行分析，從而獲得此電池的特性，預(yù)測當(dāng)前電池的性能。 使用這種方法需要大量阻抗及阻抗譜相

12、關(guān)理論，且需要較為昂貴的器材，故暫不推薦。4. 電池內(nèi)阻 R可編輯-精選文檔 -電池的內(nèi)阻很小，我們一般用毫歐（ m ）的單位來定義它。內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要技術(shù)指標。 正常情況下，內(nèi)阻小的電池的大電流放電能力強，內(nèi)阻大的電池放電能力弱。電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（ R）和電化學(xué)極化內(nèi)阻（ Re）。對于鋰離子電池來說，電池的歐姆內(nèi)阻（ R），主要有鋰離子通過電解質(zhì)時受到阻力所形成的電阻、隔膜電阻、電解質(zhì) - 電極界面的電阻和集電體（銅鋁箔、電極）電阻等；電化學(xué)極化內(nèi)阻（ Re）包括鋰離子嵌入、脫嵌和離子擴散轉(zhuǎn)移過程中的極化電阻、濃差極化電阻等。歐姆內(nèi)阻（ R）服從歐姆定律，電化學(xué)極化內(nèi)阻（

13、Re）不服從歐姆定律。不同類型的電池內(nèi)阻不同。相同類型的電池，由于內(nèi)部化學(xué)特性的不一致，內(nèi)阻也不一樣。另外，無論是 R還是 Re 都會隨著電池使用條件的不同而變化（隨 SOC、SOH 、溫度等變化）。目前對電池內(nèi)阻的測量主要有直流測試法與交流測試法兩種， 分別對應(yīng)測得電池的交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻很小 ,測直流內(nèi)阻時由于電極容量極化 ,產(chǎn)生極化內(nèi)阻 ,故無法測出其真實值；而測交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實的內(nèi)值（主要為歐姆內(nèi)阻） 。直流放電內(nèi)阻測量法：根據(jù)物理公式 R= V/ I，測試設(shè)備讓電池在短時間內(nèi)通過一個較大的恒定直流電流（目前一般使用 40A-80A 的大電流），測量

14、此時電池兩端的電壓變化， 并按公式計算出當(dāng)前的電池內(nèi)阻。此法控制得當(dāng)精確度可以控制在0.1% 以內(nèi)，但也有明顯的不足：（1）只能測量大容量電池， 小容量電池?zé)o法負荷如此大電流； （2）當(dāng)電池通過大電流時，電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)可編輯-精選文檔 -生極化內(nèi)阻。故測量時間必須很短，否則測出的內(nèi)阻值誤差很大。交流內(nèi)阻測試一般使用專門的測試儀器，其方法原理如下： 利用電池等效于一個有源電阻的特點，給電池施加一個固定頻率和固定電流大小的交流信號（目前一般使用 1kHz 頻率、 50mA 小電流），然后對其電壓進行采樣， 經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內(nèi)阻值。 交流內(nèi)阻測試法有如

15、下特點：（1 ）可以測量幾乎所有的電池，包括小容量電池，且對電池本身不會有太大損壞；（ 2）精度可能受紋波 / 諧波電流干擾， 對測量儀器電路的抗干擾能力要求高；（3）無法實時在線測量。5. 動力電池自放電率測試電池的自放電又稱荷電保持能力， 它是指在開路狀態(tài)下， 電池存儲的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力 （或內(nèi)部的自發(fā)反應(yīng)而引起的化學(xué)能損失）。一般來說，自放電主要受電池制造工藝、材料、儲存條件的影響。自放電 =（初始容量擱置后容量） （初始容量擱置時間） 100%通常電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過低或過高均有可能造成電池損壞無法使用。 一般地說，常規(guī)電池要求儲存溫度范圍為 20 45 。電池充滿電開路放置一段時間后，一定程度的自放電屬于正常現(xiàn)象。 鋰離子電池的自放電率相對于其他類型電池來說還是微不足道的， 且引起的容量損失大部分都可以恢復(fù)， 這是由鋰電池結(jié)構(gòu)所決定的。 但是在不適宜的環(huán)境溫度下， 鋰電池的自可編輯-精選文檔 -放電率還是很驚人的，這會對電池的使用壽命產(chǎn)生很大影響。同時，單體電池自放電的不一致性是影響電池組一致性的重要因素， 自放電差別大，使用過程中電池的不一致性會較快體現(xiàn)出來。6.