電動(dòng)汽車SOC影響因素研究

姚朝華　張偉　楊玉梅　韓友國(guó)　吳洪濤　許伶莉

【摘 要】電池荷電狀態(tài)（SOC）是衡量電動(dòng)汽車剩余電量的重要參數(shù)，常用的SOC估算方法多以容量作為參照標(biāo)準(zhǔn)，因此容量的準(zhǔn)確度直接影響SOC的準(zhǔn)確性。由于電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，電流波動(dòng)大，工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，充放電頻繁等因素，引起鋰離子電池的容量不能維持穩(wěn)定不變，進(jìn)而導(dǎo)致SOC估算不準(zhǔn)確。本論文結(jié)合鋰離子電池工作原理，著重從充放電倍率、溫度、自放電、循環(huán)耐久等四個(gè)方面，淺要分析了這些因素對(duì)電動(dòng)汽車SOC的影響。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；鋰電池；SOC估算

中圖分類號(hào)： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）02-0006-002

【Abstract】The battery charged state of（SOC） is one of the important parameters to measure the electric car battery，commonly used SOC estimation method with more capacity as a reference standard，so the accuracy of the capacity directly affects the accuracy of the SOC.Due to the electric car driving process，the current volatility，working environment temperature is not stable， factors such as charge and discharge frequently， caused the capacity of lithium ion battery can't maintain stable，leading to SOC estimation is not accurate.Based on the working principle of lithium ion battery， this paper focuses on four aspects，such as charging and discharging ratio， temperature， self-discharge and cycle durability，and analyzes the influence of these factors on electric vehicle SOC.

【Key words】Electric vehicle；Lithium batteries；SOC estimation

電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要?jiǎng)恿敵?，是電?dòng)汽車三電核心元件之一。電池荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）估算是衡量電動(dòng)汽車剩余電量的重要技術(shù)參數(shù)，其精確程度在一定程度上決定了電動(dòng)汽車的質(zhì)量水平[1]。如何在使用過(guò)程中實(shí)時(shí)、精確的將SOC狀態(tài)反饋給用戶，是近年來(lái)電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）估算功能方面研究的熱點(diǎn)。但是，電動(dòng)汽車受實(shí)際使用環(huán)境和工況如溫度，電流，循環(huán)壽命等因素的影響，整車SOC呈現(xiàn)顯著的非線性特征，加大了SOC的計(jì)算難度。因此，SOC準(zhǔn)確而高效的估算，成為近年來(lái)大多數(shù)新能源車企面臨的一項(xiàng)技術(shù)難題。

1 SOC定義

美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)USABC（U.S.Advanced Battery Consortium）在其《電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中有關(guān)SOC的定義為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。SOC概念的定義，可從容量、能量、功率和健康狀態(tài)等角度進(jìn)行考慮，以容量定義SOC時(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式[2]通常為如下公式（1）：

SOC=■*100%

式（1）中：Qt為剩余電量，Q0為額定電量。

日本本田公司電動(dòng)汽車EV Plus定義SOC為公式（2）：

SOC=■

式（2）中：剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補(bǔ)償容量

2 SOC影響因素分析

電動(dòng)汽車日常使用過(guò)程中，電流變化浮動(dòng)劇烈，工作環(huán)境溫度經(jīng)常變化，充放電次數(shù)比較頻繁，導(dǎo)致動(dòng)力電池的容量經(jīng)常發(fā)生變化。以容量定義SOC時(shí)，SOC計(jì)算公式中額定容量隨環(huán)境與工況不同發(fā)生變化，造成SOC估算的不準(zhǔn)確。因此，從整車使用角度，SOC的影響因素大致可歸納為以下幾類：充放電倍率、溫度、自放電和循環(huán)耐久等。

2.1 充放電倍率

鋰電池在不同充放電率下放出和充進(jìn)的容量不同。一般情況下，充放電倍率與電池充電或者放電的容量成反比，倍率越高，容量越小，反之亦然。充放電倍率對(duì)于容量影響的主要原因?yàn)椋?/p>

①濃差極化。電池高倍率放電時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)，鋰離子大規(guī)模從負(fù)極層間脫出，并在極短時(shí)間內(nèi)大量聚集在負(fù)極表面，并與較遠(yuǎn)的電解液中離子，形成濃度差，造成濃差極化，最終導(dǎo)致容量不能被完全釋放出來(lái)。

②材料的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)完整性。充放電過(guò)程中，由于鋰離子不斷的嵌入和脫出，使得正負(fù)極微觀晶體結(jié)構(gòu)相應(yīng)膨脹和收縮[3]。高倍率充放電時(shí)，這種膨脹和收縮的應(yīng)力增大，正負(fù)極材料的體積在快速變化中，容易引起結(jié)構(gòu)破裂，甚至坍塌，導(dǎo)致脫出與嵌入鋰離子的能力下降或失去脫出嵌入鋰離子的能力，容量就會(huì)衰減，而這種鋰離子電池容量損失不可恢復(fù)。

2.2 溫度

電動(dòng)汽車實(shí)際使用中的環(huán)境溫度范圍通常在-30℃-60℃區(qū)間。溫度升高時(shí)，鋰離子遷移速度加快，電池容量增加。且行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池中各單體電芯之間會(huì)產(chǎn)生溫差和溫升，電池的整體溫度也會(huì)隨時(shí)間有變化，導(dǎo)致動(dòng)力電池容量與SOC動(dòng)態(tài)變化。

林春景等[4]詳細(xì)研究了動(dòng)力電池在整車使用環(huán)境-20℃～50℃下，充放電過(guò)程中內(nèi)阻隨SOC變化的規(guī)律，表明電池的總內(nèi)阻在低溫下和低SOC下的變化更明顯。溫度對(duì)容量影響的主要原因?yàn)椋?/p>

①電解液的導(dǎo)電能力。低溫時(shí)，不同于常溫或者高溫時(shí)，電解液中的溶劑凝固，粘度變大，使離子遷移變得困難，遷移速度隨之降低，導(dǎo)電能力下降。因此，低溫下電池系統(tǒng)的充放電的效率也會(huì)降低，容量會(huì)變小。高溫時(shí)，離子遷移速度加快。

②內(nèi)阻。電池內(nèi)阻可以作為表征電池內(nèi)部導(dǎo)電鋰離子傳輸難易程度的主要指標(biāo)，電池內(nèi)阻主要包括歐姆內(nèi)阻，極化內(nèi)阻和電池總內(nèi)阻。電池內(nèi)阻增大時(shí)，鋰離子傳導(dǎo)變得困難，電性能降低，容量會(huì)明顯衰減。

2.3 自放電

鋰離子電池的自放電損失主要分為可逆損失和不可逆容量損失。充電時(shí)容量可恢復(fù)的稱為可逆容量損失，充電時(shí)容量不可恢復(fù)的稱為不可逆容量損失。后者會(huì)造成容量衰減，導(dǎo)致SOC不準(zhǔn)。

Pistoia G等[5]闡述了錳酸鋰正極會(huì)與溶劑形成微電池，產(chǎn)生自放電，從而造成不可逆的容量損失。同樣的，負(fù)極活性物質(zhì)也會(huì)與電解液形成微電池，Darling R等[6]分析了負(fù)極材料與溶劑發(fā)生反應(yīng)造成的不可逆的容量損失。李偉善等[7]在分析鋰電池容量衰減的原因時(shí)，研究了容量不可恢復(fù)的原因：

①電池內(nèi)部的副反應(yīng)。電解液熱穩(wěn)定性較差，溫度高，自身會(huì)發(fā)生分解。或與電池正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)等；

②電池內(nèi)部微短路。電芯生產(chǎn)工藝中，電極活性物質(zhì)顆粒殘留在極片上或者極片切片時(shí)，極片邊緣的毛刺未即使刷去時(shí)，多余的顆?；蛘呙炭赡軙?huì)刺穿隔膜并與另一極形成回路，充放電時(shí)會(huì)引起電池內(nèi)部微短路。

2.4 循環(huán)耐久

鋰離子電池充放電過(guò)程就是鋰離子通過(guò)電解液在正、負(fù)極材料之間來(lái)回脫出和嵌入的過(guò)程。隨著充放電次數(shù)增加，容量會(huì)逐漸減小。

劉文剛等[8]以18650圓柱電池為分析對(duì)象，得出容量衰減的主要原因是鋰離子電池內(nèi)部活性鋰離子的減少。文章還指出隨著循環(huán)的增多，SEI膜孔隙率降低，鋰離子在正負(fù)極移動(dòng)阻力增大，使容量損失；電極材料晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，表面電荷傳遞離子的阻力變大，嵌入與脫出鋰離子的能力下降，導(dǎo)致容量損失。

研究[9]表明，主要原因還在于：內(nèi)部副反應(yīng)的增多，電極與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電極表面產(chǎn)生鈍化膜，正負(fù)極活性材料相變和溶解，內(nèi)腐蝕等。但不同體系、不同材料的鋰電池，循環(huán)耐久衰減的機(jī)理并不相同，難以建立準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行精準(zhǔn)的估算和預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

目前主流的SOC估算均不能滿足電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)、高精度計(jì)算的要求，主要是電池系統(tǒng)容量和估算方法的不精確造成的。基于SOC對(duì)于整車的不可或缺性，因此尋找出一種涵蓋不同類型電池的SOC估算通用模型，仍是BMS研究中的技術(shù)難點(diǎn)?？梢詮囊韵聨追矫嬷郑孩俳Y(jié)合影響容量的因素，從電芯、模組和系統(tǒng)級(jí)別，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，獲取大量數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，讓SOC估算變得有據(jù)可依；②從硬件上提高電壓、電流等數(shù)據(jù)的采集精度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；③根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立數(shù)學(xué)模型，并從軟件上進(jìn)行大量的模型仿真，模擬整車行駛過(guò)程中SOC的實(shí)時(shí)變化；④在整車上進(jìn)行模型驗(yàn)證，并進(jìn)行修正SOC，最大限度的減少SOC誤差，提高SOC的估算精度；⑤最終建立通用SOC估算模型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Cheng F，Liang J，Tao Z，et al.Functional materials for rechargeable batteries[J].Advanced Materials，2011，23（15）：1695-1715.

[2]彭金春，陳全世，韓曾晉.電動(dòng)汽車鉛酸電池充放電過(guò)程建模[J].汽車技術(shù)，1997，6：5-8.

[3]謝輝.PVDF基復(fù)合型聚合物電解質(zhì)的研究及其應(yīng)用[D].天津大學(xué)，2009.

[4]林春景，李斌，常國(guó)峰，等.不同溫度下磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)研究[J].電源技術(shù)，2015，39（1）：22-25.

[5]Pistoia G，Antonini A，Rosati R，Zane D.Storage characteristics of cathodes for Li-ion batteries[J].Electrochim.Acta，1996，41：2683.

[6]Darling R，Newman J，Modeling a Porous Intercalation Electrode with Two Characteristic Particle Sizes[J].J Electrochem Soc，1997，144：4201.

[7]李偉善，邱仕洲.鋰離子電池容量衰減的原因分析[J].電池工業(yè)，2001，6（1）：21-24.

[8]劉文剛，周波，王曉丹，等.18650型鋰離子電池的循環(huán)容量衰減研究[J].電源技術(shù)，2012，36（3）：306-309.

[9]Zhang Y，Wang C Y，Tang X.Cycling degradation of an automotive LiFePO 4，lithium-ion battery[J].Journal of Power Sources，2011，196（3）：1513-1520.