動力電池重要參數(shù)定義及測量計(jì)算方法

動力電池重要參數(shù)定義及測量計(jì)算方法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)識電池的一些重要特性參數(shù)及其測量計(jì)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(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，同時結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)整合編寫而成。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(biāo)）。美國先進(jìn)電池聯(lián)合會（USABC）的《電動汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊》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汽車（EVPlus）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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)電池SOC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(shí)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(shí)現(xiàn)并運(yùn)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(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但是對實(shí)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(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)性上都有很好的表現(xiàn)。幾種SOC估算算法簡介安時法安時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SOC0，在經(jīng)過t時間的充電或放電后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，所以理論上講安時法是最準(zhǔn)確的。同時，它也易于實(shí)現(xiàn)，只需測量電池充放電電流和時間，而在實(shí)際工程應(yīng)用時，采用離散化計(jì)算公式如下：SOH=CM/CN其中，CM為電池當(dāng)前測量容量，CN為電池標(biāo)稱容量。（3）從電池內(nèi)阻的角度定義SOH：SOH=(REOL-R)/(REOL-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(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應(yīng)函數(shù)來與實(shí)際的SOH對應(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)/(CN-CEOL)其中CEOL為電池壽命終止（報(bào)廢）時的容量，是一個常數(shù)。上面SOH的計(jì)算公式其實(shí)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=CM/CN=X,計(jì)算公式中SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)=Y,假設(shè)CEOL=pCN，則Y=(XCN-pCN)/(CN-pCN)=(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(jìn)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(biāo)稱容量進(jìn)行比較。這個方法是目前公認(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之間的關(guān)系來進(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(diǎn)來進(jìn)行SOH估算。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(zhǔn)確測量也是一個難點(diǎn)。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(jìn)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)阻很小，我們一般用毫歐（mΩ）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(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（RΩ）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（RΩ），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(kuò)散轉(zhuǎn)移過程中的極化電阻、濃差極化電阻等。歐姆內(nèi)阻（RΩ）服從歐姆定律，電化學(xué)極化內(nèi)阻（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RΩ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(shí)值；而測交流內(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)阻測量法：根據(jù)物理公式R=ΔV/ΔI，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），測量此時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(fù)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)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(diǎn)，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(jìn)行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。交流內(nèi)阻測試法有如下特點(diǎn)：（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(shí)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?fù)p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?，F(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.溫度特性動力電池的容量、充放電內(nèi)阻與開路電壓都受溫度的影響。環(huán)境溫度對磷酸鐵鋰電池容量的影響很大，低溫時