動(dòng)力電池重要參數(shù)定義及測(cè)量計(jì)算方法

1、文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持 動(dòng)力電池重要參數(shù)定義及測(cè)量計(jì)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(rèn)識(shí)電池的一些重要特性參數(shù)及其測(cè)量計(jì)算方法。 主要包括動(dòng)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(dòng)力電池的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 以及網(wǎng)上的 一些權(quán)威資料信息，同時(shí)結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)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勺定義 電池的荷電狀態(tài)SOC被用來(lái)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(guó)標(biāo)） 。 美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC

2、的電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中 將SOC定義如下：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=QO/QN 日本本田公司的電動(dòng)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(bǔ)償 動(dòng)力電池的剩余電量是影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和行駛性能的 主要因素，準(zhǔn)確的SOC古算可以提高電池的能量效率， 延長(zhǎng)電池的使 用壽命，從而保證電動(dòng)汽車更好的行駛，同時(shí)SOC也是作為電池充放 電控制和電池均衡的重要依據(jù)。 實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)電池的可測(cè)量值如電壓電流結(jié)合電池 內(nèi)外界影響因素（

3、溫度、壽命等）來(lái)實(shí)現(xiàn)電池 SOC勺估算算法。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(shí)現(xiàn)良好的SOC古算算法必須克服這些問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外在電池 soa古算上已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用到工程上，如安時(shí)法、內(nèi)阻法、開(kāi)路 電壓法等。 這些算法共同特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)， 但是對(duì)實(shí)際工況中勺內(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寸估算精度不斷 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(jì)算法 等新型算法，相比于之前的傳統(tǒng)算法其計(jì)算量大，但精度更高，其中 卡爾曼濾波在計(jì)算精度和適應(yīng)性上都有很好

4、的表現(xiàn)。 2.2 幾種SOC古算算法簡(jiǎn)介 （ 1） 安時(shí)法 安時(shí)法又被稱為電流積分法，也是計(jì)算電池SOC的基礎(chǔ)。假設(shè)當(dāng) 前電池SOC初始值為SOC,在經(jīng)過(guò)t時(shí)間的充電或放電后SOC為： Q0是電池的額定容量，i（t）是電池充放電電流（放電為正）。 事實(shí)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(shí)法是最準(zhǔn)確的。 同時(shí)，它也易于實(shí)現(xiàn)， 只需測(cè)量電池充放電電流和時(shí)間， 而在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)， 采用離散化 計(jì)算公式如下： 在電池實(shí)際工作中使用安時(shí)法計(jì)算 SOC受到測(cè)量誤差和噪聲干 擾因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響從而無(wú)法正確估算 SOC(自放電及溫度 等因素也沒(méi)有考慮

5、)，同時(shí)電池的初始soC直無(wú)法通過(guò)安時(shí)法得到。 通常，安時(shí)法使用上次電池充放電保留的 SOC直作為下次計(jì)算初始 值，但這樣會(huì)使SOC誤差不斷累積。所以實(shí)際工程上安時(shí)法一般作為 其他算法的基礎(chǔ)或結(jié)合其他算法來(lái)進(jìn)行估算。 ( 2) 開(kāi)路電壓法 鋰離子電池的電動(dòng)勢(shì)與電池的 SOC之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，由 此可以通過(guò)開(kāi)路電壓進(jìn)行測(cè)量從而得到電池的 SOC直。要通過(guò)開(kāi)路電 壓法得到電池電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確值， 首先需要電池靜置一段時(shí)間， 此時(shí)的 開(kāi)路電壓(OCV的值可以認(rèn)為與其電動(dòng)勢(shì)數(shù)值相等，這樣就可以得 到電池電動(dòng)勢(shì)并以此得到電池的 SOC通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得鋰電池充放電的 SOC-OC曲線，然后根據(jù)SOC-OC曲

6、線查詢不同開(kāi)路電壓的SOC直。 開(kāi)路電壓法需要電池在一段時(shí)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(shí)時(shí)測(cè)量。另外，電池 SOC在中間段開(kāi)路電壓變化很小，導(dǎo)致中間SOC測(cè)量及估算誤差較大。 ( 3) 卡 爾曼濾波法 卡爾曼濾波法是利用系統(tǒng)和測(cè)量動(dòng)態(tài)的知識(shí)、 假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和 測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)特性，以及初始條件信息，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，求得 系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計(jì)。 電動(dòng)汽車用的電池組， 可看作是由輸入和 輸出組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 在了解系統(tǒng)一定先驗(yàn)知識(shí)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(yàn)作用， 獲得對(duì)系統(tǒng)包括荷電狀態(tài) 在內(nèi)無(wú)法直接測(cè)量的內(nèi)部參

7、數(shù)估計(jì)。 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(cè)量方程。 根據(jù)電池組放電試驗(yàn) 數(shù)據(jù)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法估計(jì)電池組的開(kāi)路電壓， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電池荷電 狀態(tài)的估計(jì)。 其優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)采集到的電壓電流， 由遞推法法得到 SOC勺最小方差估計(jì)，解決SO初值估計(jì)不準(zhǔn)和累計(jì)誤差的問(wèn)題； 缺點(diǎn) 是對(duì)電池模型依賴性很強(qiáng)，對(duì)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(jì)算 3.1電池健康狀態(tài)SOH的定義 電池SOH的標(biāo)準(zhǔn)定義是在標(biāo)準(zhǔn)條件下動(dòng)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(duì)應(yīng)的標(biāo)稱容量 （實(shí)際初 始容量）的比值，該比值是電池健康狀況的一種反映。 簡(jiǎn)

8、單來(lái)說(shuō)，也就是電池使用一段時(shí)間后某些直接可測(cè)或間接計(jì)算 得到的性能參數(shù)的實(shí)際值與標(biāo)稱值的比值， 用來(lái)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(shí)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： （ 1）從電池剩余電量的角度定義 SOH： SOH=aQged/Q new 其中，Qged為電池當(dāng)前可用的最大電量，Qew為電池未使用時(shí)的 最大電量。 （ 2）從電池容量的角度定義 SOH： SOH=MC/CN 其中，6為電池當(dāng)前測(cè)量容量，O為電池標(biāo)稱容量。 ( 3)從電池內(nèi)阻的角度定義 SOH： SOH=(REOL-R)

9、/(R EOL-Rnew) 其中，REOL為電池壽命終結(jié)時(shí)的電池內(nèi)阻，Rnew為電池出廠時(shí)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(lái)定義SOH的公式并不是 SOH勺實(shí)際計(jì)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(duì)應(yīng)函數(shù)來(lái)與實(shí)際的 SOH寸應(yīng)。比如，基于單體電池的容量， SOH實(shí)際可用下面公式計(jì)算： SOH=(CM-CEOL)/(C N-C E O L) 其中 CEOL 為電池壽命終止(報(bào)廢)時(shí)的容量，是一個(gè)常數(shù)。上面 SOH勺計(jì)算公式其實(shí)與(2)中的定義是等效的。下面簡(jiǎn)單給出推導(dǎo)： 設(shè)定義中 SOH= CM/CN=X, 計(jì)算公式中 SOH=(CM-

10、CEOL)/(C N-C E O L)=Y, 假設(shè) Cto=pCN,則 Y=( XC“Cn)/(C n- pCN)=(X-p”(1-p)，即 Y是關(guān)于 X的一個(gè)函數(shù)(線性關(guān)系)，其中p為常數(shù)。 3.2幾種常見(jiàn)的SOH估算方法 ( 1 )完全放電法 完全放電測(cè)試需要對(duì)電池進(jìn)行一個(gè)完全的放電循環(huán)， 然后測(cè)試出 放電容量與新電池的標(biāo)稱容量進(jìn)行比較。 這個(gè)方法是目前公認(rèn)最可靠 的方法，但是這種方法的缺點(diǎn)也很明顯， 需要電池離線測(cè)試和較長(zhǎng)的 測(cè)試時(shí)間，測(cè)試完之后需對(duì)電池重新充電。 (2)內(nèi)阻法 通過(guò)建立內(nèi)阻與SOH之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著電池

11、使用時(shí)間的增 長(zhǎng)，電池的內(nèi)阻會(huì)隨之增加，電池的可用電量同時(shí)會(huì)不斷減少，通過(guò) 這點(diǎn)來(lái)進(jìn)行SOH古算。 這種方法也有缺點(diǎn)：大量研究表明，當(dāng)電池容量下降到原來(lái)的 70%80%時(shí)電池的歐姆內(nèi)阻才會(huì)發(fā)生顯著變化，這與一般規(guī)定的80% 可能有相當(dāng)?shù)牟罹唷?同時(shí)電池的內(nèi)阻本來(lái)就是毫歐級(jí)別的數(shù)值， 它的 在線準(zhǔn)確測(cè)量也是一個(gè)難點(diǎn)。 （3）電化學(xué)阻抗法 這是一種較復(fù)雜的方法， 通過(guò)對(duì)電池施加多個(gè)不同頻率的正弦信 號(hào)，然后根據(jù)模糊理論對(duì)已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 從而獲得此電池 的特性，預(yù)測(cè)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 電池的內(nèi)

12、阻很小，我們一般用毫歐（mQ）的單位來(lái)定義它。內(nèi) 阻是衡量電池性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。 正常情況下， 內(nèi)阻小的電池 的大電流放電能力強(qiáng)，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（FQ）和電化學(xué)極化內(nèi)阻（R）。對(duì)于 鋰離子電池來(lái)說(shuō)，電池的歐姆內(nèi)阻（FQ）,主要有鋰離子通過(guò)電解質(zhì) 時(shí)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（Fe）包括鋰離子嵌 入、脫嵌和離子擴(kuò)散轉(zhuǎn)移過(guò)程中的極化電阻、濃差極化電阻等。 歐姆內(nèi)阻（甩）服從歐姆定律，電化學(xué)極化內(nèi)阻（Fe）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

13、不一致，內(nèi)阻也不一樣。另外，無(wú)論是 RP還是Re都會(huì)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(duì)電池內(nèi)阻的測(cè)量主要有直流測(cè)試法與交流測(cè)試法兩種， 分 別對(duì)應(yīng)測(cè)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(cè)直流 內(nèi)阻時(shí)由于電極容量極化 , 產(chǎn)生極化內(nèi)阻 , 故無(wú)法測(cè)出其真實(shí)值； 而測(cè) 交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響 ,得出真實(shí)的內(nèi)值（主要為歐姆內(nèi) 阻）。 直流放電內(nèi)阻測(cè)量法：根據(jù)物理公式 R=A V/ I，測(cè)試設(shè)備讓電 池在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)一個(gè)較大的恒定直流電流（目前一般使用 40A-80A 的大電流），測(cè)量此時(shí)電池兩端的電壓變化，并按公式計(jì)算出當(dāng)前的 電池內(nèi)阻。此法控制

14、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(cè)量大容量電池， 小容量電池?zé)o法負(fù)荷如此大電流； （2）當(dāng)電池通過(guò)大電流時(shí)， 電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻。 故測(cè)量時(shí)間必須很短，否則測(cè)出的內(nèi)阻值誤差很大。 交流內(nèi)阻測(cè)試一般使用專門的測(cè)試儀器， 其方法原理如下： 利用 電池等效于一個(gè)有源電阻的特點(diǎn)， 給電池施加一個(gè)固定頻率和固定 電流大小的交流信號(hào)（目前一般使用 1kHz頻率、50mA小電流），然 后對(duì)其電壓進(jìn)行采樣， 經(jīng)過(guò)整流、 濾波等一系列處理后通過(guò)運(yùn)放電路 計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。交流內(nèi)阻測(cè)試法有如下特點(diǎn)： （1）可以測(cè)量 幾乎所有的電池，包括小容量電池，且對(duì)電池本

15、身不會(huì)有太大損壞； （ 2）精度可能受紋波 /諧波電流干擾， 對(duì)測(cè)量?jī)x器電路的抗干擾能力 要求高；（3）無(wú)法實(shí)時(shí)在線測(cè)量。 5. 動(dòng)力電池自放電率測(cè)試 電池的自放電又稱荷電保持能力， 它是指在開(kāi)路狀態(tài)下， 電池存 儲(chǔ)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(lái)說(shuō)，自放電主要受電池制造工藝、材料、儲(chǔ)存 條件的影響。 自放電=（初始容量一擱置后容量）/ （初始容量彳閣置時(shí)間）X 100% 通常電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過(guò)低 或過(guò)高均有可能造成電池?fù)p壞無(wú)法使用。 一般地說(shuō)，常規(guī)電池要求儲(chǔ) 存溫度范圍為2045Co電池充滿電開(kāi)路放置一段時(shí)間后， 一定程 度的自放電屬于正?，F(xiàn)象。 鋰離子電池的自放電率相對(duì)于其他類型電 池來(lái)說(shuō)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， 鋰電池的自放 電率還是很驚人的，這會(huì)對(duì)電池的使用壽命產(chǎn)生很大影響。同時(shí)，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(guò)程中電池的不一致性會(huì)較快體現(xiàn)出來(lái)。 6. 溫度特性 動(dòng)力電池的容量、充放電內(nèi)阻與