電動汽車SOC影響因素研究

姚朝華 張 偉 楊玉梅 韓友國 吳洪濤 許伶莉

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

電池系統(tǒng)作為電動汽車的重要動力輸出，是電動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汽車的質(zhì)量水平[1]。如何在使用過程中實時、精確的將SOC狀態(tài)反饋給用戶，是近年來電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）估算功能方面研究的熱點。但是，電動汽車受實際使用環(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的計算難度。因此，SOC準確而高效的估算，成為近年來大多數(shù)新能源車企面臨的一項技術(shù)難題。

1 SOC定義

美國先進電池聯(lián)合會USABC（U.S.Advanced Battery Consortium）在其《電動汽車電池實驗手冊》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)等角度進行考慮，以容量定義SOC時，其數(shù)學(xué)表達式[2]通常為如下公式（1）：

式（1）中：Qt為剩余電量，Q0為額定電量。

日本本田公司電動汽車EV Plus定義SOC為公式（2）：

式（2）中：剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補償容量

2 SOC影響因素分析

電動汽車日常使用過程中，電流變化浮動劇烈，工作環(huán)境溫度經(jīng)常變化，充放電次數(shù)比較頻繁，導(dǎo)致動力電池的容量經(jīng)常發(fā)生變化。以容量定義SOC時，SOC計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。充放電倍率對于容量影響的主要原因為：

①濃差極化。電池高倍率放電時，在極短的時間內(nèi)，鋰離子大規(guī)模從負極層間脫出，并在極短時間內(nèi)大量聚集在負極表面，并與較遠的電解液中離子，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。

②材料的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)完整性。充放電過程中，由于鋰離子不斷的嵌入和脫出，使得正負極微觀晶體結(jié)構(gòu)相應(yīng)膨脹和收縮[3]。高倍率充放電時，這種膨脹和收縮的應(yīng)力增大，正負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

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

林春景等[4]詳細研究了動力電池在整車使用環(huán)境-20℃～50℃下，充放電過程中內(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。溫度對容量影響的主要原因為：

①電解液的導(dǎo)電能力。低溫時，不同于常溫或者高溫時，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降低，容量會變小。高溫時，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，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，鋰離子傳導(dǎo)變得困難，電性能降低，容量會明顯衰減。

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。充電時容量可恢復(fù)的稱為可逆容量損失，充電時容量不可恢復(fù)的稱為不可逆容量損失。后者會造成容量衰減，導(dǎo)致SOC不準。

Pistoia G等[5]闡述了錳酸鋰正極會與溶劑形成微電池，產(chǎn)生自放電，從而造成不可逆的容量損失。同樣的，負極活性物質(zhì)也會與電解液形成微電池，Darling R等[6]分析了負極材料與溶劑發(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，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，自身會發(fā)生分解。或與電池正負極發(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，極片邊緣的毛刺未即使刷去時，多余的顆粒或者毛刺可能會刺穿隔膜并與另一極形成回路，充放電時會引起電池內(nèi)部微短路。

2.4 循環(huán)耐久

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

劉文剛等[8]以18650圓柱電池為分析對象，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，鋰離子在正負極移動阻力增大，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)耐久衰減的機理并不相同，難以建立準確無誤的數(shù)學(xué)模型，進行精準的估算和預(yù)測。

3 結(jié)論

目前主流的SOC估算均不能滿足電動汽車實時、高精度計算的要求，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。可以從以下幾方面著手：①結(jié)合影響容量的因素，從電芯、模組和系統(tǒng)級別，經(jīng)過試驗，獲取大量數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，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)的準確性；③根據(jù)數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)學(xué)模型，并從軟件上進行大量的模型仿真，模擬整車行駛過程中SOC的實時變化；④在整車上進行模型驗證，并進行修正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。

［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.電動汽車鉛酸電池充放電過程建模[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,常國峰,等.不同溫度下磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻特性實驗研究[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.