動力電池重要參數(shù)定義及測量計算方法

1、范文范例指導(dǎo)學(xué)習(xí)動力電池重要參數(shù)定義及測量計算方法1概述本文檔的編寫主要是為了方便公司內(nèi)部研發(fā)人員更加快速清楚地熟悉電池的一些重要特性參數(shù)及其測量計算方法.主要包括動力電池的荷電狀態(tài)SOC電池健康狀態(tài)SOH內(nèi)阻R等.此文檔主要參考了動力電池的國家標準與行業(yè)標準,以及網(wǎng)上的一些權(quán)威資料信息,同時結(jié)合自身工作經(jīng)驗整合編寫而成.2. 電池荷電狀態(tài)SOC及估算方法2.1電池荷電狀態(tài)SOCK定義電池的荷電狀態(tài)SOC被用來反映電池的剩余電量情況,其定義為當前可用容量占初始容量的百分比國標.美國先進電池聯(lián)合會USABC的?電動汽車電池實驗手冊?中 將SOC定義如下：在指定的放電倍率下,電池剩余電量與等同條件

2、下 額定容量的比值.SOCQO/Qn日本本田公司的電動汽車EV Plus定義SOC如下：soc=剩余容量/額定容量-容量衰減因子其中剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補償動力電池的剩余電量是影響電動汽車的續(xù)駛里程和行駛性能的主要因素,準確的SOC估算可以提升電池的能量效率, 延長電池的使 用壽命,從而保證電動汽車更好的行駛,同時SOC也是作為電池充放 電限制和電池均衡的重要依據(jù).實際應(yīng)用中,我們需要根據(jù)電池的可測量值如電壓電流結(jié)合電池 內(nèi)外界影響因素(溫度、壽命等)來實現(xiàn)電池 SOC勺估算算法.但是 SOC受自身內(nèi)部工作環(huán)境和外界多方面因素而呈非線性特性,所以要 實現(xiàn)良好的SOC古算

3、算法必須克服這些問題.目前,國內(nèi)外在電池 soa古算上已經(jīng)局部實現(xiàn)并運用到工程上,如安時法、內(nèi)阻法、開路 電壓法等.這些算法共同特點是易于實現(xiàn),但是對實際工況中的內(nèi)外 界影響因素缺乏考慮而導(dǎo)致適應(yīng)性差,難以滿足BMS寸估算精度不斷 提升的要求.所以在考慮SOC受到多種因素影響后,一些較為復(fù)雜的 算法被提出,例如：卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊估計算法 等新型算法,相比于之前的傳統(tǒng)算法其計算量大,但精度更高,其中 卡爾曼濾波在計算精度和適應(yīng)性上都有很好的表現(xiàn).2.2 幾種SOC古算算法簡介(1) 安時法安時法又被稱為電流積分法,也是計算電池soa勺根底.假設(shè)當 前電池SOC初始值為SOC,在

4、經(jīng)過t時間的充電或放電后SOC為：1 <soc = soqa oQ0是電池的額定容量,i(t)是電池充放電電流(放電為正).事實上,SOC定義為電池的荷電狀態(tài),而電池荷電狀態(tài)就是電池 電流的積分,所以理論上講安時法是最準確的.同時,它也易于實現(xiàn), 只需測量電池充放電電流和時間, 而在實際工程應(yīng)用時,采用離散化 計算公式如下：soq = SOC-1 -lit在電池實際工作中使用安時法計算 SOC受到測量誤差和噪聲干 擾因素會對測量結(jié)果造成影響從而無法正確估算SOC自放電及溫度等因素也沒有考慮,同時電池的初始soC直無法通過安時法得到. 通常,安時法使用上次電池充放電保存的 SOC直作為下次

5、計算初始值, 但這樣會使SOC誤差不斷累積.所以實際工程上安時法一般作為其他 算法的根底或結(jié)合其他算法來進行估算.2開路電壓法鋰離子電池的電動勢與電池的 SOC之間存在一定的函數(shù)關(guān)系,由 此可以通過開路電壓進行測量從而得到電池的 SOC直.要通過開路電 壓法得到電池電動勢的準確值,首先需要電池靜置一段時間,此時的 開路電壓OCV的值可以認為與其電動勢數(shù)值相等,這樣就可以得 到電池電動勢并以此得到電池的 SOC通過實驗獲得鋰電池充放電的 SOC-OC曲線,然后根據(jù)SOC-OC曲線查詢不同開路電壓的 SOC直. 開路電壓法需要電池在一段時間靜置下以消除電池電壓、 容量在外界 因素影響下造成的誤差,

6、不適用于電池 SOC勺實時測量.另外,電池 SOC在中間段開路電壓變化很小,導(dǎo)致中間SOC測量及估算誤差較大.3卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法是利用系統(tǒng)和測量動態(tài)的知識、假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和 測量誤差的統(tǒng)計特性,以及初始條件信息,對測量值進行處理,求得 系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計.電動汽車用的電池組,可看作是由輸入和 輸出組成的動態(tài)系統(tǒng).在了解系統(tǒng)一定先驗知識的前提下, 建立系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)方程,再利用輸出的校驗作用,獲得對系統(tǒng)包括荷電狀態(tài) 在內(nèi)無法直接測量的內(nèi)部參數(shù)估計.在電池等效電路模型或電化學(xué)模 型的根底上,建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程. 根據(jù)電池組放電試驗 數(shù)據(jù),應(yīng)用卡爾曼濾波算法估計電池組的開路電壓

7、,實現(xiàn)對電池荷電狀態(tài)的估計.其優(yōu)點是能夠根據(jù)采集到的電壓電流,由遞推法法得到SOC勺最小方差估計,解決SO初值估計不準和累計誤差的問題； 缺點 是對電池模型依賴性很強,對系統(tǒng)處理器的速度要求較高.3. 電池健康狀態(tài)SOH定義與計算3.1電池健康狀態(tài)SOH勺定義電池SOH的標準定義是在標準條件下動力電池從充滿狀態(tài)以一 定倍率放電至截止電壓所放出的容量與其所對應(yīng)的標稱容量實際初始容量的比值,該比值是電池健康狀況的一種反映.簡單來說,也就是電池使用一段時間后某些直接可測或間接計算 得到的性能參數(shù)的實際值與標稱值的比值, 用來判斷電池健康狀況下 降后的狀態(tài),衡量電池的健康程度,其實際表現(xiàn)在電池內(nèi)部某些

8、參數(shù)如內(nèi)阻、容量等的變化上.故根據(jù)電池特征量定義電池健康狀態(tài) SOH具體有如下幾種方法：1從電池剩余電量的角度定義 SOHSOH=aged/Qnew其中,Caged為電池當前可用的最大電量,Qew為電池未使用時的 最大電量.2從電池容量的角度定義SOHSOH=CCn其中,為電池當前測量容量,CN為電池標稱容量.(3) 從電池內(nèi)阻的角度定義SOHSOH = (RO-R)/(R EO-Rnew)其中,RtOL為電池壽命終結(jié)時的電池內(nèi)阻,Riew為電池出廠時的內(nèi) 阻,R為電池當前狀態(tài)下的內(nèi)阻.注：上面從電池剩余電量或電池容量來定義SOH的公式并不是SOH的實際計算公式,這只是一種定義的方法,即這種定

9、義的方法有 唯一的對應(yīng)函數(shù)來與實際的 SOH對應(yīng).比方,基于單體電池的容量, SOH實際可用下面公式計算：SOH=(CCeo)/(C n-Ceo)其中CEol為電池壽命終止(報廢)時的容量,是一個常數(shù).上面 SOH的計算公式其實與(2)中的定義是等效的.下面簡單給出推導(dǎo)：設(shè)定義中 SOH= CCn二X,計算公式中 SOH=(CCeo9/(C n-Ceo)=y, 假設(shè) CE0L=pCN,那么 Y=( XCn-pCn)/(C n- pCN)=(X-p(1-p),即 Y是關(guān)于 X的一個函數(shù)(線性關(guān)系),其中p為常數(shù).3.2幾種常見的SOH古算方法(1) 完全放電法完全放電測試需要對電池進行一個完全的

10、放電循環(huán), 然后測試出 放電容量與新電池的標稱容量進行比擬. 這個方法是目前公認最可靠 的方法,但是這種方法的缺點也很明顯,需要電池離線測試和較長的 測試時間,測試完之后需對電池重新充電.2內(nèi)阻法通過建立內(nèi)阻與SOF之間的關(guān)系來進行SOH估算,大量研究說明 電池內(nèi)阻和SOH之前存在一定的對應(yīng)關(guān)系.隨著電池使用時間的增長, 電池的內(nèi)阻會隨之增加,電池的可用電量同時會不斷減少,通過這點 來進行SOH估算.這種方法也有缺點：大量研究說明,當電池容量下降到原來的 70% 80%寸電池的歐姆內(nèi)阻才會發(fā)生顯著變化,這與一般規(guī)定的80%可能有相當?shù)牟罹?同時電池的內(nèi)阻本來就是毫歐級別的數(shù)值, 它的 在線準確

11、測量也是一個難點.3電化學(xué)阻抗法這是一種較復(fù)雜的方法,通過對電池施加多個不同頻率的正弦信 號,然后根據(jù)模糊理論對已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進行分析,從而獲得此電池的特性,預(yù)測當前電池的性能.使用這種方法需要大量阻抗及阻抗譜 相關(guān)理論,且需要較為昂貴的器材,故暫不推薦.4.電池內(nèi)阻R電池的內(nèi)阻很小,我們一般用毫歐mQ的單位來定義它.內(nèi) 阻是衡量電池性能的一個重要技術(shù)指標. 正常情況下,內(nèi)阻小的電池 的大電流放電水平強,內(nèi)阻大的電池放電水平弱.電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻FQ和電化學(xué)極化內(nèi)阻Feo對于 鋰離子電池來說,電池的歐姆內(nèi)阻FQ,主要有鋰離子通過電解質(zhì) 時受到阻力所形成的電阻、隔膜電阻、電解質(zhì) -電極界面的

12、電阻和集 電體銅鋁箔、電極電阻等；電化學(xué)極化內(nèi)阻Fe包括鋰離子嵌 入、脫嵌和離子擴散轉(zhuǎn)移過程中的極化電阻、濃差極化電阻等.歐姆內(nèi)阻R©服從歐姆定律,電化學(xué)極化內(nèi)阻R不服從歐 姆定律.不同類型的電池內(nèi)阻不同.相同類型的電池,由于內(nèi)部化學(xué) 特性的不一致,內(nèi)阻也不一樣.另外,無論是 R©還是Fe都會隨著電 池使用條件的不同而變化隨SOC SOH溫度等變化.目前對電池內(nèi)阻的測量主要有直流測試法與交流測試法兩種,分別對應(yīng)測得電池的交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻.由于電池內(nèi)阻很小,測直流內(nèi)阻時由于電極容量極化,產(chǎn)生極化內(nèi)阻,故無法測出其真實值；而測 交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實的內(nèi)值主要

13、為歐姆內(nèi)阻 直流放電內(nèi)阻測量法：根據(jù)物理公式 R=A V/ I,測試設(shè)備讓電 池在短時間內(nèi)通過一個較大的恒定直流電流目前一般使用40A-80A的大電流,測量此時電池兩端的電壓變化,并按公式計算出當前的 電池內(nèi)阻.此法限制得當精確度可以限制在 0.1%以內(nèi),但也有明顯 的缺乏：1只能測量大容量電池,小容量電池?zé)o法負荷如此大電流；2當電池通過大電流時,電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象,產(chǎn)生極化內(nèi)阻. 故測量時間必須很短,否那么測出的內(nèi)阻值誤差很大.交流內(nèi)阻測試一般使用專門的測試儀器,其方法原理如下：利用電池等效于一個有源電阻的特點,給電池施加一個固定頻率和固定電流大小的交流信號目前一般使用 1kHz頻率、50

14、mA小電流,然 后對其電壓進行采樣,經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路 計算出該電池的內(nèi)阻值.交流內(nèi)阻測試法有如下特點：1可以測量 幾乎所有的電池,包括小容量電池,且對電池本身不會有太大損壞；2精度可能受紋波/諧波電流干擾,對測量儀器電路的抗干擾水平 要求高；3無法實時在線測量.5. 動力電池自放電率測試電池的自放電又稱荷電保持水平,它是指在開路狀態(tài)下,電池存 儲的電量在一定環(huán)境條件下的保持水平或內(nèi)部的自發(fā)反響而引起的 化學(xué)能損失.一般來說,自放電主要受電池制造工藝、材料、儲存 條件的影響.自放電=初始容量一擱置后容量/ 初始容量x擱置時間x 100%通常電池儲存溫度越低,自放電率也越低,但也應(yīng)注意溫度過低 或過高均有可能造成電池損壞無法使用. 一般地說,常規(guī)電池要求儲 存溫度范圍為2045C.電池充滿電開路放置一段時間后, 一定程 度的自放電屬于正?，F(xiàn)象.鋰離子電池的自放電率相對于其他類型電 池來說還是微缺乏道的,且引起的容量損失大局部都可以恢復(fù),這是 由鋰電池結(jié)構(gòu)所決定的.但是在不適宜的環(huán)境溫度下,鋰電池的自放 電率還是很驚人的,這會對電池的使用壽命產(chǎn)生很大影響.同時,單 體電池自放電的不一致性是影響電池組一致性的重要因素,自放電差別大,使用過程中電池的不一致性會較快表達出來.6. 溫度特性動力電池的容量、充放電內(nèi)阻與開路電