電動(dòng)汽車鋰離子電池SOC估算研究

1、    電動(dòng)汽車鋰離子電池soc估算研究    朱立宗摘 要：電動(dòng)汽車蓄電池的剩余電量用荷電狀態(tài)（state of charge，soc）來表示。由于受蓄電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，溫度、放電電流電壓、自放電等因素影響，在大多數(shù)的情況下很難準(zhǔn)確估算soc值。soc是影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和行駛性能的重要參數(shù)，也是電池管理系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。對電動(dòng)汽車蓄電池soc準(zhǔn)確估計(jì)的實(shí)際應(yīng)用是目前電動(dòng)汽車蓄電池研究方向的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。本文從電池模型選定、研究技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)的方案等方面闡述了電動(dòng)汽車鋰離子電池soc估算的初步探究。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池;so

2、c;估算準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)（state of charge，soc）值是純電動(dòng)汽車整車控制策略的重要參數(shù)，它能有效防止純電動(dòng)汽車蓄電池的過充、過放，從而使蓄電池的使用安全性和使用壽命得到提高。因此純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)必須向全車提供精準(zhǔn)、及時(shí)的蓄電池soc值。蓄電池的soc值是不能通過直接檢測得到，只能通過相關(guān)可檢測到的參數(shù)來估算，因?yàn)檫@些可測參數(shù)受諸多相關(guān)條件影響，并且存在非線性特性，這會(huì)給實(shí)時(shí)估算soc值帶來極大的難度。因此提高soc估算精度的關(guān)鍵所在就是把準(zhǔn)確的電池模型和恰當(dāng)?shù)墓浪惴椒ㄏ嘟Y(jié)合。1 典型的電池模型目前應(yīng)用最為廣泛的電池模型是電池等效電路模型，等效電路模型不需要對電池內(nèi)部的電化學(xué)

3、反應(yīng)進(jìn)行深徹的分析，它是通過電路來描述電池的開路電壓、直流內(nèi)阻、極化內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)對電池動(dòng)態(tài)特性的模擬，從而便于分析電池特性和辨識(shí)模型參數(shù)。目前的各種等效電路模型可分為三種：基于內(nèi)阻的電池模型、基于交流阻抗的模型、基于運(yùn)行時(shí)間的電路模型。其中應(yīng)用最多的是基于內(nèi)阻的模型，它包括rint等效電路模型、thevenin等效電路模型、pngv等效電路模型、rc等效電路模型、gnl等效電路模型等。2 研究技術(shù)路線（1）進(jìn)行鋰離子電池特性分析及soc定義修正。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究分別有：開路電壓因素實(shí)驗(yàn)、充放電倍率因素實(shí)驗(yàn)、溫度對可用容量的影響研究、循環(huán)次數(shù)對可用容量的影響研究、溫度因素研究、循環(huán)壽命因素研究等。

4、（2）建立鋰離子電池模型。在rint模型、thevenin模型、pngv模型、rc模型以及gnl模型等電池等效電路模型基礎(chǔ)上，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，最后綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和soc定義的修正因素，建立優(yōu)化后的鋰離子電池模型。（3）在simulink/matlab中搭建電池模型，其中soc的計(jì)算使用安時(shí)積分法（電量累積法）。在同一時(shí)間用相同條件的電流分別施加在實(shí)際電池和電池模型上，將實(shí)體電池測得的端電壓與電池模型中的端電壓響應(yīng)進(jìn)行比較對比，驗(yàn)證電池模型以及模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。3 整體的實(shí)驗(yàn)方案（1）電壓特性實(shí)驗(yàn)。用標(biāo)準(zhǔn)恒定電流/電壓給電池完全充滿電，放置大約1小時(shí)，然后測量電池的端電壓。（2）倍率放電特性實(shí)驗(yàn)。在

5、室溫25下，分別以0.1c， 0.2c， 0.5c， 1.0c， 1.5c， 2.0c放電倍率對三元鋰離子電池進(jìn)行恒流放電，放電截止電壓為2.8v、3.0v、 3.2v、 3.4v、3.6v。（3）溫度對容量的影響研究。為了確定不同溫度下，蓄電池容量的補(bǔ)償系數(shù)，將同組的蓄電池分別置于-20、-10、0、20條件下。之后，0.5c放電倍率對電池進(jìn)行恒流放電，測得電池的端電壓與放電深度的關(guān)系。（4）循環(huán)次數(shù)對容量的影響研究。在20的溫度下進(jìn)行重復(fù)的充放電實(shí)驗(yàn)，第一步，以0.5c的恒定電流對電池進(jìn)行充電至至4.2v;第二步，以恒定電壓對電池進(jìn)行充電，直到其充電電流小于0.1c;10分鐘后，將電池以0

6、.5c的恒定電流放電至3v的截止電壓;第三步，10分鐘后，重復(fù)前面的充電和放電步驟。（5）電池自放電特性實(shí)驗(yàn)。選擇三塊容量比較接近的電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先以恒定電流充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)電流逐漸減小，當(dāng)充電電流達(dá)到下降到零時(shí)，以蓄電池完全充滿的方式將三塊電池充滿電后，把第一塊電池在常溫下放置30天，第二塊電池在60下放置7天，第三塊電池在85下放置4小時(shí)，放置完畢之后采用0.5c放電倍率對電池進(jìn)行放電，同時(shí)測量電池荷電保持率，每塊放置完畢后的電池都用3次滿充滿放實(shí)驗(yàn)測量其容量恢復(fù)率。（6）鋰離子電池模型的建立并對simulink/matlab中搭建的電池模型進(jìn)行仿真分

7、析和驗(yàn)證。選定模型確定輸入輸出及狀態(tài)變量列寫狀態(tài)方程simulink/matlab建模通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)根據(jù)變量（溫度、soc等）實(shí)時(shí)修正參數(shù)仿真。4 放電截止電壓對三元鋰電池正極材料性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要研究實(shí)驗(yàn)的三元鋰電池正極材料電化學(xué)性能在2.8v、 3.0v、3.2v、3.4v、 3.6v 下的影響，同時(shí)找出在不同的電流密度：0.1c、0.2c、0.5c、1.0c、1.5c、2.0c下最合適的放電截止電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：（1）電池在上述的電流密度下的最理想放電截止電壓分別是：3.6v、3.4v、3.4v、 3.4v、3.4v、3.2v。此時(shí)，在300次充電和放電循環(huán)之后，電池正極

8、材料的質(zhì)變相對較小，由增加截止電壓引起的電池容量損失也較小。在電流密度為1.5c的300次循環(huán)后，電池容量保持率為97.2%，放電中壓保持率為99.1%。另外，對比了六組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度為1c時(shí)，電池300次循環(huán)后的電池容量保持率最低，不同放電截止電壓下電池的平均容量保持率小于70%。（2）在額定性能測試過程中，截止電壓提高后，電池的容量衰減明顯減小。當(dāng)電流密度為2.0c時(shí)，電池的放電比容量仍高達(dá)111.6 ah/g，明顯高于改進(jìn)前的56.4 ah/g。（3）隨著放電截止電壓的提高，蓄電池300次循環(huán)后的rct值下降了4.6倍。同時(shí)，電池正極材料能更加有效防止hf腐蝕，使材料表面的

9、sei膜變薄，li+的遷移阻力減小。（4）提高放電截止電壓可以有效地提高電池的抗極化能力。此外，三元正極材料在循環(huán)過程中未見明顯尖晶石化產(chǎn)生。5 結(jié)論本文初探了電池過度放電時(shí)，正極材料會(huì)產(chǎn)生質(zhì)變的情況。但是，由于條件的限制，究竟會(huì)發(fā)生什么樣的質(zhì)變還有待進(jìn)一步的研究，本文提出的soc估計(jì)方法尚處于仿真階段，不能應(yīng)用于實(shí)際的電池管理系統(tǒng)。雖然該算法的噪聲滿足特殊分布，而純電動(dòng)汽車在實(shí)際工作中的噪聲形式是不確定的。因此，要將其應(yīng)用到實(shí)際中，還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。本文系2019年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“電動(dòng)汽車鋰離子電池soc估算研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019ky1426）階段性成果參考文獻(xiàn)：1吳燕. 插電式混合動(dòng)力汽車鋰離子電池soc估算方法研究d.湖南大學(xué)，2017.2蔣佑煊. 523三元鋰離子動(dòng)力電池soc的估計(jì)算法研究d.南京航空航天大學(xué)，2017.3周曉鳳.純電動(dòng)汽車鋰電池剩余電量估計(jì)研究d.南京：南京航空航天大學(xué)，2014.4電動(dòng)汽車用鋰電池模型參數(shù)辨識(shí)方法研究j.