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实际使用工况的锂离子电池SOC-OCV关系

更新时间:2016-07-05

近年来随着全球能源与环境等问题日益扩大,电动汽车以其污染小、节约能源、优化能源消耗结构、结构简单、使用维修方便等优势,正处在从研发阶段迈向生产应用阶段[1]。锂离子电池作为电动汽车能源供给部件,凭借其优良的性能,近年来已成为电动汽车研究的重点方向。

关于企业社会责任的研究有多种研究视角,但是多数研究关注于顾客和社会。事实上,企业员工在企业社会责任的履行和完善过程中是一个不可忽略的对象。企业社会责任强调企业自觉承担员工的责任,保证企业内部雇员的利益,强调企业内部的和谐,促进劳动关系的改善。民营企业员工对于企业社会责任的认知和态度,对于企业社会责任的实施和提升,有很重要的影响力。但是,从中国当前现状来看,民营企业对员工履行社会责任并没有成熟的社会责任体系可供参考,对民营企业履行对员工的社会责任的研究势在必行。

锂离子电池荷电状态(SOC)估计一直是电池研究的重点和难点[2]。对于纯电动汽车,准确的SOC估计是保证动力电池在工作范围内充、放电的主要依据,是提高动力电池使用寿命、优化驾驶工况、保证电动汽车能量使用效率的前提;对于混合动力汽车,整车控制策略需要根据SOC估计值来调整,从而提升电能的使用效率并延长车辆的续驶里程,实现混合动力汽车节油环保的功能[3]

锂离子电池SOC的估计方法有很多,其中开路电压(OCV)法是预测电池初始SOC最为常用和有效的方法。当电池处于静态或无负载状态时,电池OCV和SOC存在一定的数学比例关系,因此在电动汽车启动前,电池管理系统可通过测量OCV来估计电池的SOC。开路电压法适用于电动汽车停车状态,在充电初期和末期SOC估计效果好,所以通常其他估算方法往往都使用开路电压法来解决SOC的初始值问题。因此,如何提高开路电压法估算电池SOC初始值的精度是准确估计电动汽车动力电池SOC的重要课题[4]

本文以电动汽车用锂离子电池为研究对象,结合锂离子电池实际使用工况下的特性,通过对SOC与OCV的关系研究,为开发基于OCV的实际使用工况下的电池SOC控制管理策略提供理论依据和基础数据。

1 SOC-OCV关系研究理论基础

1.1 锂离子电池SOC估计及影响因素

锂离子电池SOC用于描述动力电池的剩余电量,是一个相对量,可以用剩余电量与额定容量的比值表示,是电动汽车电池使用的重要参数之一。电动汽车电池的SOC作用与内燃机汽车的油量计作用相近,两者都可以提供汽车续航里程相关信息,但是,SOC与油量计还有许多不同点,主要在于[5]

(1)使用作用不同,油量计只作为单一显示,而SOC同时是电动汽车充放电控制和动力优化管理环节的关键参数之一,对动力电池的使用寿命、汽车的动力性能及续航里程预测都有着直接的影响。

(2)表达方式不同,传统燃气汽车可以通过油量表来显示剩余油量,而电动汽车动力电池剩余电量的SOC无法直接测量,只能借助一些可直接测量的物理量,间接地对其进行估计。

故在电动汽车锂离子动力电池的使用过程中,研究切实可用的SOC估计方法是非常有意义的,同时,也是非常有难度的,这是因为锂离子电池的电化学反应过程较为复杂,而且实际使用工况下影响电池SOC的因素有很多,需要对影响因素进行分析,加以修正以提高估计精度[6],影响因素主要有以下两点:

(1)使用温度

电池温度发生变化会导致电池容量变化,从而使得SOC估计不准确。温度升高时,电池内部的化学反应加剧,活性物质利用率增加,锂离子传递能力加强,实际可用电量必然增加,但是温度过高时,反应的进行又会受到抑制,性能降低,严重时会发生爆炸;反之,温度降低时,活性物质利用率和实际可用电量将减少。由此可知,温度对电池SOC的影响不是固定不变的,不同温度段和温度修正系数将直接影响SOC估算的精度。

(2)使用寿命

从图2可见,SOC-OCV曲线是单调的,可以通过OCV得到电池的SOC

1.2 SOC估计方法-开路电压法[7]

企业文化仅仅追求企业形象设计等外在浅表性特征,职工的个人目标与企业的经营理念、战略目标未能很好的结合在一起,企业文化难以为公司发展战略提供强有力的智力保障和精神支撑,导致我国企业长不大,百年老店较少,走不出周期律的魔咒。

大美新疆(柳京) .........................................................................................................................................11-56

(5)返回至(1)步骤,测试其他SOC状态下的OCV变化情况。

本文即采用开路电压法研究电池不同实际使用工况下的SOC-OCV关系特性。

2 测试对象

表1为试验用电池样品的信息。

各镇、各单位要利用多种形式,积极宣传农田林网建设与改善生态环境、提高人民群众生活质量的关系,与抵御自然灾害、改善农业生产条件的内在联系。积极宣传绿化先进典型,曝光毁林案件,通过一系列宣传教育,不断提高广大干部群众的绿化、美化意识,形成“植绿、爱绿、护绿、兴绿”和“保护生态、绿化家园”的文明行为,进一步增强农民群众建设农田林网的热情,形成全民动员、全民参与、全民动手,推进农田林网建设的浓烈氛围。

表1 试验用锂离子电池样品信息

3 锂离子电池SOC-OCV基本关系研究

3.1 锂离子电池放电后OCV特性

相关研究表明,锂离子电池的SOC-OCV关系随静置时间的不同,呈现出比较大的差异[9]。为了准确测量锂离子放电后的OCV,本文首先对测试对象放电后OCV特性开展研究工作。

测试方法是先将蓄电池完全充电,以1C电流分别放电至90%SOC、60%SOC、30%SOC、0%SOC 状态后,静置 3 h,观察3 h以内的蓄电池电压变化情况,得到的相关结果如图1所示。

电池OCV是指当锂离子电池处于无负载工作的情况下,充分静置使电极的电位差达到平衡状态时所测得的电压,它可看作是电池静态下的电动势。OCV的数值大小决定于电池所采用的材料特性,如正负极材料、电解液材料和隔膜材料等。这就意味着当两种电池的材料组成完全一致,且两种电池放出的容量相同时,就算两者的电池体积不一致,电池OCV也是一致的,此外电池的OCV数值还与静置的时间有一定的关系。

图1 电池不同SOC状态下电压随静置时间的变化曲线

如图1所示,横坐标是静置时间,纵坐标是放电至不同SOC状态后不同静置时间电池电压与放电截止电压的变化差值。由图1可见,不同SOC状态的电池放电后电压呈现增长趋势,除0%SOC状态以外,其他约在120 min以后趋于稳定,增加约100 mV;电池低SOC状态,其放电后电压变化较大,达到200 mV左右,约在180 min以后趋于稳定。

如前所述,锂离子电池在实际使用工况条件下,其SOC估计会受到多种因素的影响,其中比较重要的是使用温度和使用寿命这两个因素。以下针对这两个因素,开展SOC-OCV关系研究工作。

因此,为了准确研究电池不同SOC状态与OCV的关系,以下研究过程中统一取静置时间为180 min,并定义180 min以后的电池端电压为电池的OCV。

“我压根儿没想到张仲平会当真。”左达说,“为了拿到这幢楼的拍卖推荐函,不下十家拍卖公司找过我,我跟他们开了同样的条件,你们公司是唯一当真的。”

3.2 锂离子电池SOC-OCV关系研究

根据测试需求,设计的SOC-OCV研究测试流程如下:

(1)采用1C电流对蓄电池进行容量标定;

式中:V(T)为不同使用温度条件下的电池OCV

(3)以1C电流放电6 min,至指定SOC状态;

文献[2]的炉子结构与操作方法不改动,但是安装在焙烧炉内的电热管应该改作换热管。笔者曾经在广西冶金研究院钢铁室的轧钢车间使用过一台电热丝炉,5 mm直径的电热丝就敞口搁置在炉子内壁的耐火砖上,电热丝用了很多年都不需要更换。因此笔者想到必须将文献[2]焙烧炉中的电热管改作换热管,管内再也不需要安装电热丝。自制或购买一台电热炉,用高温风机通过保温输送管向焙烧炉内的换热管内通热风,以传热方式加热炉内的钼精矿,从换热管出来的余热风返回热风炉回收余热。调节温度分别提供焙烧炉与脱油脱水炉。

(4)静置3 h,取3 h后的电池电压为电池当前SOC状态下的OCV;

基于SharpDevelop框架的国土资源“一张图”管理系统的开发与应用 吴绿川,杨 键,杨映新(3-23)

开路电压法的工作原理是基于电池OCV-SOC存在的特定关系估计电池的内部状态。OCV-SOC的关系在对电池SOC估算预测、电池模型的验证及电池模型参数辨识过程中都难以避免的有所涉及,对解析电池内部状态影响巨大。实际运用中,通常是将电池进行放电处理,测得SOC值对应的OCV值,并将两者之间的数据对拟合成曲线或者表格形式,以用作SOC估计。开路电压法简便易行,在电池非工作状态下,可对其SOC值进行高精度估计[8]

最终得到SOC-OCV关系曲线如图2所示。

图2 电池SOC-OCV关系数据及拟合曲线

动力电池的使用寿命用循环次数来衡量,经历一次充放电称为一个周期,也就是电量由100%用到0%,再由0%充电至100%的过程。随着锂电池循环次数的增加,内部的化学物质会发生老化变质,导致内阻增大,容量下降。因此电池使用寿命也是影响电池SOC估计精度的一个重要因素,需要在估计中添加容量衰减因子作为校正系数。

对以上数据进行拟合,可得到SOC-OCV的关系公式为三阶多项式,具体如式(1)所示:

4 实际使用工况下电池SOC-OCV关系研究

卡尔曼滤波用状态方程和递推方法进行估计,根据前一个估计值和最近一个测量数据来估计信号的当前值,其解以估计值的形式给出。卡尔曼滤波算法如下[8]。

4.1 基于温度修正系数的SOC-OCV关系研究

该部分测试方法是将电池正负极连接好导线,表面贴好热电偶,并分别与数据记录仪连接。将电池完全充电并充分冷却后放入恒温箱中,按照25℃→40℃→60℃→0℃→-10℃→-20℃的顺序,每3 h变换一次温度,并实时测量电池开路电压和电池表面温度。温度变化一个周期后,在室温下1C放出电池实际容量的10%,并搁置5 h后继续测量OCV随温度的变化,直至电池的SOC降为0。最终得到电池在不同SOC状态下的温度-电压曲线。

图3是50%SOC状态下实测的电池电压与温度关系曲线。

图3 电池50%SOC状态下电压随温度变化曲线

根据图3,取电池不同温度条件下3 h后的电压值为电池OCV,得到OCV与温度的关系曲线如图4所示。

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图4 电池OCV与温度的关系数据及拟合曲线

由图4可见,不同SOC状态下OCV随温度变化的趋势明显,OCV随着温度的升高而升高,随着温度的下降而下降,并且呈现一定的线性关系。

尽管与前几年相比,大学新生的英语水平有了明显提高,但仍有相当一部分学生的英语水平并不足以满足ESP课程的要求。如果学习者没有一定的英语基础,ESP教学因增加了专业内容,且教学目标并不仅仅是对语言技能的训练,从而将加重这些学生的学习负担,他们会丧失英语学习的兴趣。因而,现阶段在我国高校大面积推广ESP取代EGP显然过于冒进。一个普遍接受的做法是在学习者通过大学英语四级考试以后再开展ESP教学,这样教学效果将大大提高。目前,可以在学生入学英语水平普遍较高的院校进行试点ESP取代EGP,以为下一步改革积累经验。

在此定义温度修正系数为K1,则不同使用温度条件下SOC-OCV关系表示为式(2):

(2)蓄电池完全充电;

作为一个80后,我其实很难将1948年诞生的第一辆路虎汽车和今天我所熟悉的路虎汽车联系在一起。在近距离观察过奠定这个传奇品牌基础的那辆路虎之后,我几乎找不到一个准确的形容词来概括它。凹凸不平的墨绿色铝合金车身下的是来自美国的吉普车底盘,油腻的帆布车顶有气无力地撑在那里,1.6升汽油发动机从尺寸上看就显得有些动力不足。总体来说,它就像是战后英国社会的缩影,诉说着当年的黯淡和艰难。

4.2 基于容量衰减因子的SOC-OCV关系研究

相关研究表明,锂离子在实际使用过程中,会出现容量衰减的情况,进而对SOC准确估计造成影响。

首先进行了测试对象1C充放800次循环试验,得到该电池的容量衰减特性曲线如图5所示。

图5 电池800次循环容量衰减曲线

由图5可见,经过800次循环后,电池容量由原来的26.60 Ah衰减为22.94 Ah,衰减率达到13.8%。

为了分析容量衰减对电池SOC-OCV关系的影响,本文进行了不考虑容量衰减影响和考虑容量衰减影响两种情况下的SOC-OCV关系对比分析,得到的数据如图6所示。

由图6可见,如果不考虑容量衰减的影响,则不能准确得到真实的SOC-OCV关系,特别是在低SOC范围内;如果考虑容量衰减,可以看出其SOC-OCV关系与新电池的SOC-OCV关系表现出比较好的一致性,即说明SOC-OCV关系受电池使用寿命的影响很小。

因此,定义容量衰减因子为K2,则不同使用寿命条件下SOC-OCV关系表示为式(3):

图6 电池SOC-OCV关系曲线

式中:S(L)为不同使用循环寿命条件下的电池SOC

综上所述,得到基于实际使用工况条件(不同使用温度、不同使用寿命)下的SOC-OCV关系拟合公式(4)为:

式中:K1为温度修正系数;K2为容量衰减因子;V(T)为不同使用温度条件下的电池OCV;S(L)为不同使用寿命条件下的电池SOC

5 基于电池等效电路模型的快速SOC-OCV关系估计

电池模型的作用是在电池运行过程中实现电池端电压和电池OCV之间的关系转换,进而真实和准确地实现电池SOC的准确估计。常用的电池模型包括电化学模型、等效电路模型、神经网络模型和特定因素模型。其中等效电路模型是基于电池工作原理用电网络理论来描述电池的工作特性,物理意义清晰,能够用数学关系表达并对电池进行全SOC范围内的建模,便于数学分析并进行参数辨识,在电动汽车仿真中得到了广泛应用[10]

目前,常见的等效电路模型有Rint、RC、Thevenin和GNL模型,以上等效电路模型都具备以下特点[11]:(1)模型电路结构简单,能准确地模拟锂离子电池实际工况下的动态或静态特性;(2)基于模型的电路结构,易于写出各模型参数相互关系的数学解析式,便于实现模型的参数优化和仿真验证;(3)简化了涉及与电池电化学原理有关的参数,四种电池模型的复杂程度依次递增,便于提高电池模型的适应性和准确性。

基于以上常见等效电路模型的特点,本文采用了一种新型的等效电路模型——由GNL等效电路模型和Thevenin等效电路模型组成的二阶RC模型,即模型由一个电阻和两个RC网络构成,如图7所示。

图7 二阶RC等效电路模型

图7中电容Cb为简化的理想电压源,Cb两端的电压Vb为电池的开路电压,它在一定的情况下与电池的SOC有固定的映射关系;电阻Ri用来描述电池的欧姆内阻;R1C1R2C2用于描述电池的极化效应,时间常数较小的R1C1环节用来描述锂离子电极间传输时受到的阻抗,时间常数较大的R2C2环节用来描述锂离子电极材料中扩散时受到的阻抗。

通过对以上模型参数进行辨识和拟合,就可以快速预估出电池不同实际使用工况的开路电压,改善需长时间静置电池才能获得电池OCV这一特性。进而基于式(4),完成不同实际使用工况下的电池SOC状态快速估计。

6 小结

(1)采取1C电流放电至指定SOC,并取静置3 h后电池电压为电池OCV的方法,研究了锂离子电池SOC-OCV关系,得到了SOC-OCV的关系拟合公式为三阶多项式;(2)开展了实际使用工况下电池SOC-OCV关系研究,提出了基于温度修正系数和容量衰减因子的实际使用工况条件下的SOC-OCV关系拟合公式(3)提出了一种基于二阶RC等效电路模型,用于SOC-OCV估算的新思路。即通过寻找规律公式,对模型参数进行辨识和拟合,短时间内计算出电池的开路电压,进而完成不同实际使用工况下的电池SOC状态快速估计;(4)后续工作需要继续研究不同种类锂离子电池在不同使用温度、不同使用寿命等实际使用工况下的SOC-OCV关系,从而为开发基于开路电压的实际使用工况下的电池管理控制策略提供理论依据和数据支撑。

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参考文献:

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樊彬,任山,罗运俊
《电源技术》 2018年第05期
《电源技术》2018年第05期文献

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