動(dòng)力電池系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)研究

陳濤

摘 要：鋰離子動(dòng)力電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低等特性而得廣泛的應(yīng)用。為了提高電池的使用效率，電池狀態(tài)的準(zhǔn)確分析是必不可少的。為此，本文分析了電池荷電狀態(tài)、能量狀態(tài)、健康狀態(tài)、功率狀態(tài)、均衡狀態(tài)和溫度狀態(tài)，并給出了電池各狀態(tài)的定義和估計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：電池狀態(tài) 動(dòng)力電池系統(tǒng)

1 引言

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低等特性還被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)能量存儲(chǔ)和靜態(tài)能量存儲(chǔ)，例如電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)儲(chǔ)能等相關(guān)領(lǐng)域。為了提高電池的使用效率，了解并掌握電池的狀態(tài)參數(shù)就顯得尤為重要。由于鋰離子電池的電化學(xué)特征具有高度的非線性，導(dǎo)致電池的性能參數(shù)很難準(zhǔn)確獲取。為此，了解電池工作所需的狀態(tài)參數(shù)，有效控制電池的使用情況，對(duì)于電池的使用具有十分重要的意義。

目前，在電池使用過(guò)程中常用的性能指標(biāo)包括：荷電狀態(tài)（SOC）、能量狀態(tài)（SOE）、功率狀態(tài)（SOP）、健康狀態(tài)（SOH）、均衡狀態(tài)（SOB）、溫度狀態(tài)（SOT）。

2 電池狀態(tài)分析

2.1 電池的荷電狀態(tài)

電池的荷電狀態(tài)是用來(lái)衡量電池容量的使用情況，常采用電池當(dāng)前的剩余容量與標(biāo)稱容量的百分比進(jìn)行表示[1][2]。對(duì)于電動(dòng)汽車，電池的該狀態(tài)被用于衡量電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。電池的SOC無(wú)法通過(guò)測(cè)量設(shè)備直接獲取，如圖1所示，常用的估計(jì)方法包括：安時(shí)積分法、狀態(tài)觀測(cè)器發(fā)、開(kāi)路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

2.2 電池的能量狀態(tài)

電池的能量狀態(tài)是表征電池存儲(chǔ)能量的使用情況，通常定義為電池當(dāng)前的剩余能量與標(biāo)稱能量的比值。與電池的荷電狀態(tài)不同，電池的能量狀態(tài)除了與電池工作電流相關(guān)還受電池電壓的影響。對(duì)于不同的電芯，可能具有相同的SOC，但電池電壓的不同導(dǎo)致電池具有的能量也有差異。因此，電池的SOE能夠有效反應(yīng)不同電池、不同電壓平臺(tái)之間的能量差異，可以更加全面的反應(yīng)電池的工作狀態(tài)。

2.3 電池的功率狀態(tài)

電池的功率狀態(tài)表示電池當(dāng)前狀態(tài)充電或放電的最大功率。通常電池放電功率定義為電池從當(dāng)前狀態(tài)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放電至下限截止電壓的最大功率。電池的充電功率被定義為電池從當(dāng)前狀態(tài)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)充電至上限截止電壓的最大功率。從定義可以發(fā)現(xiàn)，電池的功率狀態(tài)限定了電池在使用過(guò)程中所能承受的最大功率，當(dāng)電池的使用功率超過(guò)電池當(dāng)前的功率狀態(tài)時(shí)，將會(huì)造成電池的過(guò)充或過(guò)放。

2.4 電池的健康狀態(tài)

電池的健康狀態(tài)表示電池的特性參數(shù)相比于標(biāo)稱參數(shù)的偏離程度。從電池外特性的角度，通常采用電池容量衰減、內(nèi)阻增加、自放電參數(shù)增加、充電時(shí)間長(zhǎng)短、OCV曲線變化、電池一致性變化等衡量[3]，如圖2所示。從電池內(nèi)特性的角度，往往采用電池電極材料的多少、電子數(shù)量的多少、電解液的損耗程度、電極的厚度等參數(shù)進(jìn)行度量。目前，國(guó)內(nèi)外在電池SOH定義上尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 電池的均衡狀態(tài)

電池的均衡狀態(tài)是電池表征電池模組在使用過(guò)程中，由于電池一致性改變，通過(guò)主動(dòng)均衡或被動(dòng)均衡改變電池一致性的情況。電池均衡的指標(biāo)包括電壓偏差、SOC偏差、SOE偏差、電池容量偏差以及電池一致性的差異等。常用的均衡控制方式包括主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡是利用能量轉(zhuǎn)移器件實(shí)現(xiàn)不同電池單體間的能量轉(zhuǎn)移，如圖3所示。被動(dòng)均衡是采用能量耗散型元件將電池單體中多余的能量消耗掉。

2.6 溫度狀態(tài)

電池的溫度狀態(tài)表征電池在使用過(guò)程中溫度的變化情況。電池對(duì)外的特征變現(xiàn)為阻容特性，為此電池在不同溫度、不同電流下的溫度狀態(tài)也不同。尤其在充電過(guò)程中，由于電池內(nèi)部要克服電化學(xué)反應(yīng)需要消耗大量的能量，對(duì)外表現(xiàn)的內(nèi)阻大于放電時(shí)的內(nèi)阻。為此，電池在充電過(guò)程中，充電電流越大電池的溫度狀態(tài)變化越明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

電池狀態(tài)的準(zhǔn)確度量，對(duì)于了解電池使用情況、通過(guò)有效的策略提高電池使用效率起到非常重要的作用。為此，本文給出了電池荷電狀態(tài)、能量狀態(tài)、功率狀態(tài)、健康狀態(tài)、均衡狀態(tài)和溫度狀態(tài)的定義方法以及估計(jì)策略，對(duì)于電池的安全高效運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Plett G L. Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs：Part 2. Modeling and identification[J]. Journal of power sources，2004，134（2）：262-276

[2]Lee S，Kim J，Lee J，et al. State-of-charge and capacity estimation of lithium-ion battery using a new open-circuit voltage versus state-of-charge[J]. Journal of power sources，2008，185（2）：1367-1373.

[3]Ng K S，Moo C S，Chen Y P，et al. Enhanced coulomb counting method for estimating state-of-charge and state-of-health of lithium-ion batteries[J]. Applied energy，2009，86（9）：1506-1511.