1、引言

為了應(yīng)對能源危機(jī)，減緩全球氣候變暖，許多國家都開始重視節(jié)能減排和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。電動汽車因為采用電力進(jìn)行驅(qū)動，可以降低二氧化碳的排放量甚至實現(xiàn)零排放，所以得到各國的重視而迅速發(fā)展。但是電池成本仍然較高，動力電池的性能和價格是電驅(qū)動汽車發(fā)展的主要“瓶頸。磷酸鐵鋰電池因其壽命長、安全性能好、成本低等優(yōu)點成為電動汽車的理想動力源。

隨著電動汽車的發(fā)展，電池管理系統(tǒng)（BMS）也得到了廣泛應(yīng)用。為了充分發(fā)揮電池系統(tǒng)的動力性能、提高其使用的安全性、防止電池過充和過放，延長電池的使用壽命、優(yōu)化駕駛和提高電動汽車的使用性能，BMS系統(tǒng)就要對電池的荷電狀態(tài)即SOC（State-Of-Charge）進(jìn)行準(zhǔn)確估算。SOC是用來描述電池使用過程中可充入和放出容量的重要參數(shù)。

2、問題的提出

電池的SOC和很多因素相關(guān)（如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極化效應(yīng)、電池壽命等），而且具有很強(qiáng)的非線性，給SOC實時在線估算帶來很大的困難。

目前電池SOC估算策略主要有：開路電壓法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。

開路電壓法的基本原理是將電池充分靜置，使電池端電壓恢復(fù)至開路電壓，靜置時間一般在1小時以上，不適合電動汽車的實時在線檢測。圖1比較了錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的開路電壓（OCV）與SOC的關(guān)系曲線，LiFePO4電池的OCV曲線比較平坦，因此單純用開路電壓法對其SOC進(jìn)行估算比較困難。

圖1錳酸鋰和磷酸鐵鋰的OCV-SOC曲線

目前實際應(yīng)用的實時在線估算SOC的方法大多采用安時計量法，由于安時計量存在誤差，隨著使用時間的增加，累計誤差會越來越大，所以單獨采用該方法對電池的SOC進(jìn)行估算并不能取得很好的效果。實際使用時，大多會和開路電壓法結(jié)合使用，但LiFePO4平坦的OCV-SOC曲線對安時計量的修正意義不大，所以有學(xué)者利用充放電后期電池極化電壓較大的特點來修正SOC，對于LiFePO4電池來講極化電壓明顯增加時的電池SOC大約在90%以上。電池的荷電狀態(tài)與充電電流的關(guān)系可分為3個階段進(jìn)行：第一段，SOC低端（如SOC<10%），電池的內(nèi)阻較大，電池不適合大電流充放電；第二段，電池的SOC中間段（如10%90%），為了防止鋰的沉積和過放，電池可接受的充放電電流下降。從根本上講，為了防止電池處于極限工作條件時對電池壽命產(chǎn)生較壞的影響，應(yīng)該控制電池不工作在SOC的兩端。因此，本文不建議利用電池處于SOC兩端時極化電壓較高的特點對SOC進(jìn)行修正。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法所需的數(shù)據(jù)也主要依據(jù)電池電壓的變化才能得到較滿意的結(jié)果，所以都不能滿足LiFePO4電池對SOC的精度要求。

本文以純電動車使用的量產(chǎn)LiFePO4電池為研究對象，分析LiFePO4電池的特性，在現(xiàn)有的SOC估算分析基礎(chǔ)上提出一種準(zhǔn)確的修正LiFePO4電池SOC的方法。

3、ΔQ/ΔV法

在電化學(xué)測量方法中，分析電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率和電極電勢的關(guān)系時，常用的方法是線性電勢掃描法（potentialsweep）控制電極電勢以恒定的速度變化，即，同時測量通過電極的電流。

這種方法在電化學(xué)中也常稱為伏安法。線性掃描的速率對電極的極化曲線的形狀和數(shù)值影響很大，當(dāng)電池在充放電過程中存在電化學(xué)反應(yīng)時，掃描速率越快，電極的極化電壓越大，只有當(dāng)掃描速率足夠慢時，才可以得到穩(wěn)定的伏安特性曲線，此時曲線主要反映了電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率和電極電勢的關(guān)系。伏安曲線反應(yīng)著電池的重要特性信息，但實際的工程應(yīng)用中基本沒有進(jìn)行伏安曲線的實時測量。

究其原因主要是在電池的充放電過程中沒有線性電勢掃描的條件，使得無法直接得到電池的伏安曲線。

恒流-恒壓（CC-CV）充電方法是目前常用的電池充電方法，電勢掃描中電勢總是以恒定的速率變化，電化學(xué)反應(yīng)速率是隨著電勢的變化而變化的，電池在一段時間（t1-t2）內(nèi)以電流i充入和放出的電量Q為：

通過在線測量電池的電壓和電流，使電壓以充放電方向恒定變化，等間隔的得到一組電壓ΔV，并將電流在每個ΔV的時間區(qū)間上積分得到一組ΔQ，基于可在線測量的ΔQ/ΔV曲線可以反應(yīng)出電池在不同電極電勢點上的可充放容量的能力。圖2示出了20Ah的LiFePO4電池在1/20C恒流充電下的ΔQ/ΔV曲線。