LiFePO4電池SOC-OCV實驗可行性方案報告

LiFePO4電池SOC-OCV關(guān)系建立實驗計劃一、概述：LiFePO4電池本身就是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜而又非線性的系統(tǒng)，由于各個廠家加工工藝的不同和材料本身的不一致性導(dǎo)致目前還未有一種方法能夠非常準(zhǔn)確的通過開路電壓來計算SOC。這里介紹的是一種比較方便的方法來建立SOC和OCV的近似函數(shù)關(guān)系。我們通過理解電池的近似線性模型，利用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)經(jīng)行曲線擬合并在Matlab中結(jié)合電池模型建立SOC-OCV的曲線。關(guān)鍵詞：最小二乘法、曲線擬合、OCV、SOC二、實驗2.1實驗?zāi)康募氨匾栽陔娦疽恢滦詿o法從根本上改變（Pack廠商端），配對技術(shù)仍需改進(jìn)的現(xiàn)狀下，我們通過建立LiFePO4電池SOC-OCV關(guān)系，可以清晰的看出電池荷電狀況和開路電壓的關(guān)系，從而方便對電池模組或PACK中出現(xiàn)電池單體電壓過低或過高的情況進(jìn)行單個電池的充放電行為，無需反復(fù)啟用PACK的Balance系統(tǒng)，既減小了人力縮短了投入時間又節(jié)省了資源，當(dāng)然對我們后續(xù)研究整車電池RSOC系統(tǒng)算法也具有一定意義。2.2實驗對象及干擾排除該實驗采用的電芯j為比克公司生產(chǎn)的型號為BAK36800-Fe，工作電壓3.2V，標(biāo)稱容量6.8Ah功率型電芯，采用精度為千分之一的單體電池充放電機(jī)（L757）和恒溫試驗箱，SOC數(shù)據(jù)采用L757Logdata，用Max100記錄電池OCV。為了使實驗結(jié)果更具有說服力（即實驗數(shù)據(jù)更接近理論值），我們必須嚴(yán)格管控實驗溫度，和控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集精度、量測時噪聲的大?。ó?dāng)然噪聲干擾是不可避免的），若時間允許我們可以經(jīng)行多倍率和不同溫度的信息采集。當(dāng)然就本實驗而言只采用Spec.中的標(biāo)準(zhǔn)充放電電流和恒溫25攝氏度條件經(jīng)行實驗。2.3實驗步驟k2.3首先在設(shè)定溫度下的恒溫箱中對選用電池經(jīng)行一次的充放電l，靜置不低于12小時，讀取Max100Log電壓值，這里設(shè)記錄數(shù)據(jù)為y0；再給電池充電至10%的SOC，靜置不低于12小時，讀取Max100Log電壓值，設(shè)記錄數(shù)據(jù)值為y1；按照上述步驟依次以10%的SOC間隔對電池經(jīng)行充電，每次充電結(jié)束后的靜置時間都應(yīng)不低于12小時，并記錄每次的電壓數(shù)據(jù)值。這樣在最后依次充電結(jié)束后，我們會得到如下數(shù)據(jù)，SOC（%）0102030405060708090100OCV（V）y0y1y2y3y4y5y6y7Y8y9y102.3先要對LFP電池充電曲線有一定的了解，然后再對數(shù)據(jù)經(jīng)行處理。例如，LFP在充電初期電壓有階躍式上升區(qū)，SOC介于5%到95%基本處于電壓的平緩區(qū)m（即我們所指的電壓平臺），該階段電壓變化不大，充電后期會出現(xiàn)另一個電壓跳變區(qū)。有分析指出鋰離子電池的充放電動態(tài)電壓曲線和開路電壓曲線走勢接近，那么我們就可以大膽假設(shè)放電OCV的曲線在SOC從0~100%出現(xiàn)了兩次拐點。這一點假設(shè)對我們的數(shù)據(jù)處理很重要，它決定我們在用最小二乘法擬合曲線時選用多項式函數(shù)的階次。這里我們先假定一組OCV數(shù)據(jù)n為我們實驗量測數(shù)據(jù)如下，SOC（%）0102030405060708090100OCV（V）2.53.32623.37113.40333.41983.42943.43683.44583.45733.47563.5258通過在Matlab中調(diào)用Polyfif函數(shù)指令p，對數(shù)據(jù)組經(jīng)行曲線擬合，具體擬合步驟和結(jié)果如下，在Matlab命令窗口輸入：SOC=0：10：100；OCV=[2.5,3.3262,3.3711,3.4033,3.4198,3.4294,3.4368,3.4458,3.4573,3.4756,3.5258]；P3=polyfit（SOC，OCV,3）；Plot(soc,ocv)在Figure1窗口會顯示擬合結(jié)果如下，當(dāng)然也可以在擬合過程中可以加入2次、4次和10次的擬合結(jié)果和其做對比具體結(jié)果和差異比較如下，三、實驗結(jié)果及誤差分析通過曲線擬合q，我們得到了SOC與OCV的函數(shù)曲線，從而可以得出他們的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而可以根據(jù)SOC去讀出OCV也可以根據(jù)OCV去判斷電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)然亦可以通過壓差算容量差，或者容量差算電壓差等。當(dāng)然該實驗結(jié)果相對比較局限，因為隨著選用的電池廠商、電池容量及所用充放電倍率、環(huán)境噪聲等因素的不同，測試結(jié)果會存在波動，并且由于該試驗持續(xù)時間較長（1個月左右），未考慮電池自放電因子，試驗結(jié)果也會出現(xiàn)偏差，后續(xù)看是否可以在Log數(shù)據(jù)中計入電池自放電造成的容量、電壓損耗，試驗結(jié)果更加精確則需要后續(xù)長期試驗數(shù)據(jù)的累積。總體看來該實驗結(jié)果可以直觀反映LFP電池開路電壓和電池荷電狀態(tài)的關(guān)系，可以應(yīng)用到工程工作中。j:當(dāng)然這里所選用的電芯不一定要是BAK36800這一款電芯，只要是國內(nèi)知名電芯企業(yè)經(jīng)過認(rèn)證過的LFP電芯即可。k:這里實驗步驟中略去了放電狀態(tài)下OCV和SOC的關(guān)系，當(dāng)然也是要做的，實驗步驟基本一致。l:這里對電池經(jīng)行一次充放電是指標(biāo)準(zhǔn)條件下（spec中指定標(biāo)準(zhǔn)充放電條件）先對電池進(jìn)行放電，然后充滿，再放空，計算放空容量作為我們實驗的依據(jù)之容量。m:這里需要指出的是，LiFePO4實際上的電壓平緩區(qū)范圍比SOC為5%~95%要廣，那么電池在0~5%和95%~100%之間擬合出來的曲線可能會和實際曲線不吻合，這一點需要所用者注意，那么我們在用實驗結(jié)果時應(yīng)該盡量避開SOC在0~10%和90%~100%這兩個區(qū)間。n:這里我所假定的數(shù)據(jù)來源于星恒40Ah電芯充電Log數(shù)據(jù)檔（我暫用動態(tài)電壓代替OCV，至于為何可以這樣代替，正文有講到），從我們通過曲線擬合得到結(jié)果和星恒提供的Log數(shù)據(jù)圖檔對比后可以看出，實驗擬合結(jié)果還是相對準(zhǔn)確的。p:這里簡單說一下Polyfit指令，它可以實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)組的曲線擬合，這里我們只需要調(diào)用它不必考慮數(shù)據(jù)擬合是怎樣實現(xiàn)的（數(shù)學(xué)算法matlab內(nèi)部已經(jīng)幫我們做好了），就可以很方便實現(xiàn)曲線的擬合了。q：其實在通過matlab對數(shù)據(jù)經(jīng)行處理時，我們可以選用插值法或者基于最小二乘法的曲線擬合兩種方法，但是由于我們測試系統(tǒng)的非線性和數(shù)據(jù)采集過程中存在誤差，這里我們使用后者。插值要求所測試的數(shù)據(jù)點都經(jīng)過理論曲線而后者則不需要，具體數(shù)學(xué)算法這里不作介紹。附錄：星恒40