朱立宗

摘 要：電動汽車蓄電池的剩余電量用荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）來表示。由于受蓄電池內部電化學反應，溫度、放電電流電壓、自放電等因素影響，在大多數(shù)的情況下很難準確估算SOC值。SOC是影響電動汽車續(xù)航里程和行駛性能的重要參數(shù)，也是電池管理系統(tǒng)的重點和難點之一。對電動汽車蓄電池SOC準確估計的實際應用是目前電動汽車蓄電池研究方向的熱點和難點，具有廣闊的發(fā)展前景。本文從電池模型選定、研究技術路線、實驗的方案等方面闡述了電動汽車鋰離子電池SOC估算的初步探究。

關鍵詞：電動汽車;電池;SOC;估算

準確的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）值是純電動汽車整車控制策略的重要參數(shù)，它能有效防止純電動汽車蓄電池的過充、過放，從而使蓄電池的使用安全性和使用壽命得到提高。因此純電動汽車電池管理系統(tǒng)必須向全車提供精準、及時的蓄電池soc值。蓄電池的soc值是不能通過直接檢測得到，只能通過相關可檢測到的參數(shù)來估算，因為這些可測參數(shù)受諸多相關條件影響，并且存在非線性特性，這會給實時估算soc值帶來極大的難度。因此提高soc估算精度的關鍵所在就是把準確的電池模型和恰當?shù)墓浪惴椒ㄏ嘟Y合。

1 典型的電池模型

目前應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部的電化學反應進行深徹的分析，它是通過電路來描述電池的開路電壓、直流內阻、極化內阻，實現(xiàn)對電池動態(tài)特性的模擬，從而便于分析電池特性和辨識模型參數(shù)。目前的各種等效電路模型可分為三種：基于內阻的電池模型、基于交流阻抗的模型、基于運行時間的電路模型。其中應用最多的是基于內阻的模型，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 研究技術路線

（1）進行鋰離子電池特性分析及soc定義修正。相關的實驗和研究分別有：開路電壓因素實驗、充放電倍率因素實驗、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。

（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上，分析其優(yōu)缺點，最后綜合實驗數(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的計算使用安時積分法（電量累積法）。在同一時間用相同條件的電流分別施加在實際電池和電池模型上，將實體電池測得的端電壓與電池模型中的端電壓響應進行比較對比，驗證電池模型以及模型參數(shù)的準確性。

3 整體的實驗方案

（1）電壓特性實驗。用標準恒定電流/電壓給電池完全充滿電，放置大約1小時，然后測量電池的端電壓。

（2）倍率放電特性實驗。在室溫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放電倍率對電池進行恒流放電，測得電池的端電壓與放電深度的關系。

（4）循環(huán)次數(shù)對容量的影響研究。在20℃的溫度下進行重復的充放電實驗，第一步，以0.5c的恒定電流對電池進行充電至至4.2V;第二步，以恒定電壓對電池進行充電，直到其充電電流小于0.1C;10分鐘后，將電池以0.5c的恒定電流放電至3V的截止電壓;第三步，10分鐘后，重復前面的充電和放電步驟。

（5）電池自放電特性實驗。選擇三塊容量比較接近的電池進行實驗，先以恒定電流充電，當電壓達到預定值時轉入第二階段進行恒壓充電，此時電流逐漸減小，當充電電流達到下降到零時，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，放置完畢之后采用0.5c放電倍率對電池進行放電，同時測量電池荷電保持率，每塊放置完畢后的電池都用3次滿充滿放實驗測量其容量恢復率。

（6）鋰離子電池模型的建立并對simulink/matlab中搭建的電池模型進行仿真分析和驗證。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?！ㄟ^實驗進行參數(shù)辨識→根據(jù)變量（溫度、SOC等）實時修正參數(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驗結果

主要研究實驗的三元鋰電池正極材料電化學性能在2.8V、 3.0V、3.2V、3.4V、 3.6V 下的影響，同時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。實驗結果如下所示：

（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，在300次充電和放電循環(huán)之后，電池正極材料的質變相對較小，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，對比了六組實驗數(shù)據(jù)之后發(fā)現(xiàn)，當電流密度為1c時，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。當電流密度為2.0c時，電池的放電比容量仍高達111.6 ah/g，明顯高于改進前的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ΔRCT值下降了4.6倍。同時，電池正極材料能更加有效防止HF腐蝕，使材料表面的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生。

5 結論

本文初探了電池過度放電時，正極材料會產生質變的情況。但是，由于條件的限制，究竟會發(fā)生什么樣的質變還有待進一步的研究，本文提出的SOC估計方法尚處于仿真階段，不能應用于實際的電池管理系統(tǒng)。雖然該算法的噪聲滿足特殊分布，而純電動汽車在實際工作中的噪聲形式是不確定的。因此，要將其應用到實際中，還需要進一步的研究和實驗。

本文系2019年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“電動汽車鋰離子電池SOC估算研究”（項目編號：2019KY1426）階段性成果

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