磷酸鐵鋰電池SOC-OCV曲線特性研究

陳 東，高文根，李鵬飛，陳 亮

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

在動力汽車BMS中，電池的荷電狀態SOC(state of charge, SOC)是電動汽車BMS的重要參數之一。及時精準的獲得SOC的值可以限定電池的最大放電量并提醒駕駛員對電池進行充電，對于汽車的整車安全性能以及駕駛員的安全駕駛具有重要意義[1]。目前對SOC估算有基于SOC定義式的安時積分法[2]，基于模型的卡爾曼濾波以及其在其基礎上進行各種改進的估算方法[3-6]，基于數據驅動的神經網絡深度學習等[7-9]一系列的方法，但是各種方法也有其各自的不足之處。例如安時積分法應用雖最為廣泛，但由于其在估算過程中是一個閉環過程，因此在不斷的估算中會產生累計的誤差，且安時積分法需要對于SOC的初值以及電池實際容量進行準確的修正[10]；基于模型的方法對模型的準確度依賴性強且計算成本高[11]；像神經網絡這些基于數據驅動的方法對于訓練數據的正確性要求高且算法復雜度較高[12]。在諸多方法中，開路電壓法最為簡便，但是開路電壓法在使用過程中必須等到電池穩定才能得出比較準確的結果。因此確定正確的電池恢復時間即靜置時間非常重要。本文以單體磷酸鐵鋰電池為實驗對象，對能影響靜置時間的因素進行實驗研究，并得出相關結論。

1 實驗準備

磷酸鐵鋰電池因其電池容量受溫度影響不大且滯回特性不明顯的優異性能常作為電池放電的實驗對象。本實驗以3.7V/2800mAh磷酸鐵鋰電池單體為實驗對象，采用艾德克斯IT8511+電子負載儀對其進行放電實驗。圖1為配套的設備，其中準備了多節電池單體同時進行實驗以防止實驗過程中正在實驗單體的損壞，從而耽誤實驗進程。圖2為設備配套相關的軟件，可以支持實時觀測并記錄當前的放電電流、電池的電壓以及已放電的容量。

圖1 實驗配套硬件

圖2 軟件操作頁面

實驗平臺搭建好后，首先我們驗證一下這種精簡的開路電壓法估算電池SOC的可能性以及不足之處。實驗步驟如下。

(1)在室溫下以0.3C的恒定功率對電池進行充電，每充電280mAh(即SOC的10%)對電池靜置1h與6h，并記錄其靜置前后的開路電壓值。當達到充電截止電壓時停止充電，此時電池默認已充滿電，即SOC的值為100%。

(2)對電池靜置10h，確保電池達到充分穩定。

(3)待電池充分靜置后對其進行放電。以0.3C的功率對電池進行放電，每放電280mAh(即SOC的10%)對電池靜置1h與6h，并記錄其靜置前后的開路電壓值。當放電至放電截至電壓3.0V時(此時默認電池的SOC值為0)停止放電。

將記錄的值記入表1中。

表1 靜置前后的開路電壓值

由表1中數據可以得出圖3，從圖3中可以看出靜置前的開路電壓值與靜置1h后的開路電壓值的差值并不大，但是在比較靜置6h后的開路電壓值可以發現隨著靜置時間的不斷向后，靜置前的開路電壓值與靜置后的開路電壓值還是會出現一定的差值，且開路電壓值更穩定。因此，在對電池進行放電后，不同的靜置時間會影響開路電壓的值。后文將通過實驗對影響靜置時間的相關因素進行研究，并通過不同的靜置時間研究各因素對于開路電壓值的影響。

圖3 靜置后與靜置前的開路電壓值比較

2 不同倍率與靜置時間的開路電壓值

電池的放電倍率指電池放電能力倍率，1C表示電池一小時完全放電時的電流強度。如標稱為2000mAh的18650電池在1C強度下放電1小時完成，此時該放電電流為2000mA。電池的實際容量在1小時放電完畢稱為1C放電，5小時放電完畢稱為0.2C放電。本實驗以不同倍率對電池進行放電，靜置不同時間，并給出不同倍率靜置不同時間下的電池的OCV值，從而驗證不同放電倍率對于電池放電后的開路電壓值的影響。具體實驗步驟如下：

(1)在室溫下將電池充電至充電截止電壓并靜置10h，使電池達到充分穩定狀態。

(2)以0.5C的恒定倍率對電池進行放電280mAh(即滿電狀態下SOC的10%)，每放電280mAh將電池靜置2h，4h，6h，并記錄對應時刻下的開路電壓值。再以1.0C，1.5C，2.0C的倍率同樣對電池進行同樣操作，將數據整理至表2中。

表2 各倍率不同靜置時間下的開路電壓值

將數據整理至MATLAB中得出相應曲線如圖4-圖6所示。

圖4為不同倍率靜置2h的SOC-OCV曲線，由圖4可以看出在SOC從10%到90%這個安全的區間內，不同倍率放電后靜置2h，電池的開路電壓值差距并不大。再綜合圖5和圖6來看，在將電池用不同倍率放電并靜置4h與6h后所得的開路電壓值與靜置2h后的開路電壓值差距不算大，并且這個差距隨著時間的延后呈現逐漸縮小的趨勢。因此不同放電倍率對電池進行放電所帶給電池開路電壓值的影響并不大，并且隨著靜置時間的延后，不同的放電倍率對電池開路電壓值的影響會越來越小。

圖4 不同倍率靜置2h的SOC-OCV曲線圖

圖5 不同倍率靜置4h的SOC-OCV曲線圖

圖6 不同倍率靜置8h的SOC-OCV曲線圖

3 不同循環次數下的靜置時間與開路電壓值

電池的循環次數指的是電池充滿電(即SOC為100%)到使用完(即SOC的值為0%)的過程，電池充滿并使用完全算作是一次循環。在描述電池的狀態時，電池使用的循環次數是衡量電池老化程度的重要指標。在開路電壓法中，由于電池老化程度的不同，其內部化學物質的活性以及電池內阻等也會存在差異，這就導致了不同循環次數下電池所需要的靜置時間有了差異。并且，隨著電池循環次數的增加，電池的實際容量也會出現衰減，當電池的實際容量衰減至初始容量的80%時，電池所經歷的循環次數為電池的循環使用壽命。當電池的循環次數超過它的循環使用壽命時電池已無法正常使用，甚至會對正常的實驗造成危害，損壞實驗設備。因此，在用開路電壓法進行SOC估算時，必須考慮電池循環次數即老化程度帶來的影響。具體實驗步驟如下。

(1)將電池充電至充電截至電壓，靜置4h。通過放電設備按一定倍率對電池進行放電至放電截至電壓后，靜置4h，此時滿足電池充滿放滿一次，算作電池的一次循環。

(2)重復(1)中的步驟，將電池循環100次。第100次放電結束后將電池靜置，待電壓上升率小于1mv/min時停止靜置。此時電池恢復穩定的時間為此循環次數下的電池所需靜置時間，記錄下此循環次數下的靜置時間與開路電壓值。

(3)以循環100次為一個單位，考慮到電池老化對于實際容量的影響，每循環100次修正一次電池的實際容量，并按此實際容量對電池進行放電，表3記錄了每放電100次后電池的實際容量，本次實驗結果表明循環500次左右后單體鋰電池容量衰減至80%，重復(1)中的步驟，記錄五個單位不同SOC下的OCV值，記入表4。

表3 每循環100次后電池的實際容量

圖7 循環次數與靜置時間

圖7為不同循環次數和靜置時間的關系圖，從圖7中可以發現由于電池因老化程度的加重導致內阻增加，活性物質的活性降低，使得電池放電后所需的靜置時間增加。循環次數越往后所需的靜置時間呈現增加的趨勢，且越往后的SOC區間所需的靜置時間增加的越多。由于靜置時間的變化必然會導致OCV值的變化，循環次數與OCV值的變化情況將在下文指出。

表4 不同循環次數對應的開路電壓值

擬合表4中的數據得到圖8。

圖8 不同循環次數對應的開路電壓值

綜合表4和圖8可得出，隨著循環次數的增加，磷酸鋰電池的SOC-OCV曲線在每個老化路徑也就是每一個SOC區間的增長趨勢大致相同，即老化程度并不影響鋰電池SOC-OCV曲線的固有特性。在SOC為70%～90%這個區間有較快的增長趨勢，在30%～70%這個區間的增長較為平緩，在10%～30%這個區間增長速度最快，可能是與鋰電池的滯回特性有關。并且由表4的數據擬合得到的圖8可以清楚看出隨著循環次數的增加，每增加一個單位即100次循環次數，SOC-OCV的曲線存在一個ΔV的差值，實驗得到ΔV的值近似等于0.047。因此隨著電池老化程度的加重，磷酸鐵鋰單體電池每增加100循環次數后SOC-OCV的曲線有一個0.047的差值，但是循環次數并不改變鋰電池SOC-OCV曲線的固有特性，即每個老化路徑的OCV值的增加趨勢大致相同。

4 結論

本文從開路電壓法估算SOC受靜置時間影響較大這個特性出發，實驗研究了包括不同的放電倍率以及不同老化程度對于OCV值的影響，得出以下結論：

(1)不同放電倍率對電池放電靜置2h后的開路電壓值差距不大，并且隨著時間的延后，由于不同放電倍率帶來的開路電壓的差值將會越來越小。因此放電倍率對不是決定OCV值的主要因素，隨著靜置時間的增加，不同放電倍率給開路電壓值帶來的影響會越來越小。

(2)電池的老化程度對靜置時間以及開路電壓值影響較大。循環次數越多所需的靜置時間越多，且在低段的SOC區間，所需的靜置時間增加趨勢越大。由于循環500次后電池容量低于80%，因此本次實驗在循環500次內得出每增加100次，在不同老化路徑即不同的SOC百分比區段中，開路電壓的值大約增加ΔV=0.047。

本文通過實驗分析研究不同因素對于SOC-OCV曲線的影響，得出相關結論。由于在用安時積分法估算電池SOC時對于SOC的初值要求精度較高，因此本文結論也可用于安時積分法估算動力電池SOC。