磷酸铁锂电池SOC-OCV曲线特性研究

陈 东，高文根，李鹏飞，陈 亮

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

在动力汽车BMS中，电池的荷电状态SOC(state of charge, SOC)是电动汽车BMS的重要参数之一。及时精准的获得SOC的值可以限定电池的最大放电量并提醒驾驶员对电池进行充电，对于汽车的整车安全性能以及驾驶员的安全驾驶具有重要意义[1]。目前对SOC估算有基于SOC定义式的安时积分法[2]，基于模型的卡尔曼滤波以及其在其基础上进行各种改进的估算方法[3-6]，基于数据驱动的神经网络深度学习等[7-9]一系列的方法，但是各种方法也有其各自的不足之处。例如安时积分法应用虽最为广泛，但由于其在估算过程中是一个闭环过程，因此在不断的估算中会产生累计的误差，且安时积分法需要对于SOC的初值以及电池实际容量进行准确的修正[10]；基于模型的方法对模型的准确度依赖性强且计算成本高[11]；像神经网络这些基于数据驱动的方法对于训练数据的正确性要求高且算法复杂度较高[12]。在诸多方法中，开路电压法最为简便，但是开路电压法在使用过程中必须等到电池稳定才能得出比较准确的结果。因此确定正确的电池恢复时间即静置时间非常重要。本文以单体磷酸铁锂电池为实验对象，对能影响静置时间的因素进行实验研究，并得出相关结论。

1 实验准备

磷酸铁锂电池因其电池容量受温度影响不大且滞回特性不明显的优异性能常作为电池放电的实验对象。本实验以3.7V/2800mAh磷酸铁锂电池单体为实验对象，采用艾德克斯IT8511+电子负载仪对其进行放电实验。图1为配套的设备，其中准备了多节电池单体同时进行实验以防止实验过程中正在实验单体的损坏，从而耽误实验进程。图2为设备配套相关的软件，可以支持实时观测并记录当前的放电电流、电池的电压以及已放电的容量。

图1 实验配套硬件

图2 软件操作页面

实验平台搭建好后，首先我们验证一下这种精简的开路电压法估算电池SOC的可能性以及不足之处。实验步骤如下。

(1)在室温下以0.3C的恒定功率对电池进行充电，每充电280mAh(即SOC的10%)对电池静置1h与6h，并记录其静置前后的开路电压值。当达到充电截止电压时停止充电，此时电池默认已充满电，即SOC的值为100%。

(2)对电池静置10h，确保电池达到充分稳定。

(3)待电池充分静置后对其进行放电。以0.3C的功率对电池进行放电，每放电280mAh(即SOC的10%)对电池静置1h与6h，并记录其静置前后的开路电压值。当放电至放电截至电压3.0V时(此时默认电池的SOC值为0)停止放电。

将记录的值记入表1中。

表1 静置前后的开路电压值

由表1中数据可以得出图3，从图3中可以看出静置前的开路电压值与静置1h后的开路电压值的差值并不大，但是在比较静置6h后的开路电压值可以发现随着静置时间的不断向后，静置前的开路电压值与静置后的开路电压值还是会出现一定的差值，且开路电压值更稳定。因此，在对电池进行放电后，不同的静置时间会影响开路电压的值。后文将通过实验对影响静置时间的相关因素进行研究，并通过不同的静置时间研究各因素对于开路电压值的影响。

图3 静置后与静置前的开路电压值比较

2 不同倍率与静置时间的开路电压值

电池的放电倍率指电池放电能力倍率，1C表示电池一小时完全放电时的电流强度。如标称为2000mAh的18650电池在1C强度下放电1小时完成，此时该放电电流为2000mA。电池的实际容量在1小时放电完毕称为1C放电，5小时放电完毕称为0.2C放电。本实验以不同倍率对电池进行放电，静置不同时间，并给出不同倍率静置不同时间下的电池的OCV值，从而验证不同放电倍率对于电池放电后的开路电压值的影响。具体实验步骤如下：

(1)在室温下将电池充电至充电截止电压并静置10h，使电池达到充分稳定状态。

(2)以0.5C的恒定倍率对电池进行放电280mAh(即满电状态下SOC的10%)，每放电280mAh将电池静置2h，4h，6h，并记录对应时刻下的开路电压值。再以1.0C，1.5C，2.0C的倍率同样对电池进行同样操作，将数据整理至表2中。

表2 各倍率不同静置时间下的开路电压值

将数据整理至MATLAB中得出相应曲线如图4-图6所示。

图4为不同倍率静置2h的SOC-OCV曲线，由图4可以看出在SOC从10%到90%这个安全的区间内，不同倍率放电后静置2h，电池的开路电压值差距并不大。再综合图5和图6来看，在将电池用不同倍率放电并静置4h与6h后所得的开路电压值与静置2h后的开路电压值差距不算大，并且这个差距随着时间的延后呈现逐渐缩小的趋势。因此不同放电倍率对电池进行放电所带给电池开路电压值的影响并不大，并且随着静置时间的延后，不同的放电倍率对电池开路电压值的影响会越来越小。

图4 不同倍率静置2h的SOC-OCV曲线图

图5 不同倍率静置4h的SOC-OCV曲线图

图6 不同倍率静置8h的SOC-OCV曲线图

3 不同循环次数下的静置时间与开路电压值

电池的循环次数指的是电池充满电(即SOC为100%)到使用完(即SOC的值为0%)的过程，电池充满并使用完全算作是一次循环。在描述电池的状态时，电池使用的循环次数是衡量电池老化程度的重要指标。在开路电压法中，由于电池老化程度的不同，其内部化学物质的活性以及电池内阻等也会存在差异，这就导致了不同循环次数下电池所需要的静置时间有了差异。并且，随着电池循环次数的增加，电池的实际容量也会出现衰减，当电池的实际容量衰减至初始容量的80%时，电池所经历的循环次数为电池的循环使用寿命。当电池的循环次数超过它的循环使用寿命时电池已无法正常使用，甚至会对正常的实验造成危害，损坏实验设备。因此，在用开路电压法进行SOC估算时，必须考虑电池循环次数即老化程度带来的影响。具体实验步骤如下。

(1)将电池充电至充电截至电压，静置4h。通过放电设备按一定倍率对电池进行放电至放电截至电压后，静置4h，此时满足电池充满放满一次，算作电池的一次循环。

(2)重复(1)中的步骤，将电池循环100次。第100次放电结束后将电池静置，待电压上升率小于1mv/min时停止静置。此时电池恢复稳定的时间为此循环次数下的电池所需静置时间，记录下此循环次数下的静置时间与开路电压值。

(3)以循环100次为一个单位，考虑到电池老化对于实际容量的影响，每循环100次修正一次电池的实际容量，并按此实际容量对电池进行放电，表3记录了每放电100次后电池的实际容量，本次实验结果表明循环500次左右后单体锂电池容量衰减至80%，重复(1)中的步骤，记录五个单位不同SOC下的OCV值，记入表4。

表3 每循环100次后电池的实际容量

图7 循环次数与静置时间

图7为不同循环次数和静置时间的关系图，从图7中可以发现由于电池因老化程度的加重导致内阻增加，活性物质的活性降低，使得电池放电后所需的静置时间增加。循环次数越往后所需的静置时间呈现增加的趋势，且越往后的SOC区间所需的静置时间增加的越多。由于静置时间的变化必然会导致OCV值的变化，循环次数与OCV值的变化情况将在下文指出。

表4 不同循环次数对应的开路电压值

拟合表4中的数据得到图8。

图8 不同循环次数对应的开路电压值

综合表4和图8可得出，随着循环次数的增加，磷酸锂电池的SOC-OCV曲线在每个老化路径也就是每一个SOC区间的增长趋势大致相同，即老化程度并不影响锂电池SOC-OCV曲线的固有特性。在SOC为70%～90%这个区间有较快的增长趋势，在30%～70%这个区间的增长较为平缓，在10%～30%这个区间增长速度最快，可能是与锂电池的滞回特性有关。并且由表4的数据拟合得到的图8可以清楚看出随着循环次数的增加，每增加一个单位即100次循环次数，SOC-OCV的曲线存在一个ΔV的差值，实验得到ΔV的值近似等于0.047。因此随着电池老化程度的加重，磷酸铁锂单体电池每增加100循环次数后SOC-OCV的曲线有一个0.047的差值，但是循环次数并不改变锂电池SOC-OCV曲线的固有特性，即每个老化路径的OCV值的增加趋势大致相同。

4 结论

本文从开路电压法估算SOC受静置时间影响较大这个特性出发，实验研究了包括不同的放电倍率以及不同老化程度对于OCV值的影响，得出以下结论：

(1)不同放电倍率对电池放电静置2h后的开路电压值差距不大，并且随着时间的延后，由于不同放电倍率带来的开路电压的差值将会越来越小。因此放电倍率对不是决定OCV值的主要因素，随着静置时间的增加，不同放电倍率给开路电压值带来的影响会越来越小。

(2)电池的老化程度对静置时间以及开路电压值影响较大。循环次数越多所需的静置时间越多，且在低段的SOC区间，所需的静置时间增加趋势越大。由于循环500次后电池容量低于80%，因此本次实验在循环500次内得出每增加100次，在不同老化路径即不同的SOC百分比区段中，开路电压的值大约增加ΔV=0.047。

本文通过实验分析研究不同因素对于SOC-OCV曲线的影响，得出相关结论。由于在用安时积分法估算电池SOC时对于SOC的初值要求精度较高，因此本文结论也可用于安时积分法估算动力电池SOC。