磷酸铁锂电池荷电状态影响因素的研究

引言

随着新能源汽车技术的飞速发展，纯电动汽车因其能源清洁、环境友好的特点已经成为全球汽车研发的主要方向。对电池剩余容量的预测、输出功率的计算、剩余年限及电池健康状况的判断具有重要的意义。

动力电池对于混合动力船舶的动力性能起到重要作用。为了使电动汽车能够开的更快，开的更远。需要对电动汽车最核心的驱动力进行有效的提高，也就是需要将电池管理系统进一步的完善和改进。

混合动力船舶在能量损耗方面具有节能减排的特点，有实验研究发现在行驶相同的路程时，相比其他发动机，具有混合动力船舶的电动汽车能量损耗小，续航能力更加好。动力电池组的荷电状态决定了其性能的好坏，而且还是致使动力船舶不断的发展的推动力。

为了动力电池组的使用寿命增加，对动力电池组的荷电状态进行讨论、研究以及总结出相关理论， 能有效降低磷酸铁锂电池的老化速率 。同时，提高电池的制造工艺，在使用电池时避免电池过充或过放，实现对电池的保护。

一、磷酸铁锂电池内部构造及工作原理

首先我们先来了解磷酸铁锂电池的内部构造。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，其中间是由聚合物构成的电池隔膜，右边负极是石墨和碳晶体。

经过多年的发展与普及，现如今在我们生活中发挥着重要的作用。具有寿命长、耐高温、安全性高等特点，非常适用于动力方面，因此也被广泛应用于混合动力船舶领域与新能源汽车的研究中。

其次，我们来看看磷酸铁锂电池的放电原理，与大多数电池一样，当磷酸铁锂电池进行放电时，在电场力的作用下，锂离子与石墨晶体分离，经电解液 、隔膜，最后与磷酸铁锂晶体结合 。

二、磷酸铁锂电池的特点

首先，人们最关注的点就是安全。磷酸铁锂的安全性能虽然和其它磷酸盐的安全性能基本一样，但却是所有电池里最安全最使人放心的，至今为止，还没有发生过电池充电温度过高过热导致爆炸的事情发生。

其次，是它耐高温且稳定性高：大多数温度下磷酸铁锂电池都能正常工作，无论是零下20度还是接近100度都能正常使用电池，进行循环充放。在高温状态下也能稳定充放电，执行其功能。

再次，就是它的价格便宜且环保。磷酸盐的材料包括磷酸源、锂源以及铁源，还包括了一些无战略资源及稀有资源。这些资源材料都是无毒无害，而且在整个生产过程中也做到了清洁卫生，干净无毒。

最后，我们研究的重点就是其使用寿命长。如果没有过度充放电池，电池在正常情况下使用时，循环充放电次数可达2000次，理 论 寿 命 为 7~8 年 。

相比起铅酸电池，磷酸铁锂电池在相同的使用方式下理论寿命比铅酸电池多了5~6年。无论是在性能还是安全方面，磷酸铁锂电池都比铅酸电池更值得入手。

三、磷酸铁锂电池特性

电池荷电状态(SOC)估计是BMS的关键和核心，它使得多项控制策略都能准确制定。

对动力电池的SOC做到准确估计，能够有效保护动力电池，抵御不必要的损坏。不仅如此，动力电池提供的电能还能够增加电池的使用次数，减缓电池的衰老，增加使用寿命。SOC需要根据电池外部特性(工作电压 、内阻 、负载电流和温度等参数) 并结合电池模型及估算方法计算而得到。

首先，我们来谈谈电压特性对SOC的影响。OCV 为电池开路下的两极电压，与电池SOC有很重要的联系 。

整个磷酸铁锂电池的OCV－SOC曲线呈现中间缓，两边陡的趋势。

在SOC的中间区间（20％＜SOC＜80％）内，电池的OCV变化极小，电池处于平台区；而在SOC的两端区间（SOC＜10％和SOC＞90％），可以明显看出OCV的变化较大，而且呈现出不稳定的状态。

在磷酸铁锂电池放电初始时刻，即SOC在90%~100%区间时，电压随时间的增加下降速度较快。在放电的中间时间段内，端电压变化趋势比较平缓，基本保持不变。在放电末期，由于电池容量的减少，端电压迅速下降 。

根据上述图像分析得出，磷酸铁锂电池的放电深度与端电压有着紧密联系 。

其次，我们来谈谈内阻特性对SOC的影响。内阻作为磷酸铁理电池重要内部参数之一反映电池的放电能力。

电池内阻分为有交流内阻和直流内阻，它们都与SOC有密切联系。电池内部的电压参数与电流参数通过电池内阻来传递，根据欧姆定律也可以得出电流电压与电阻三者之间的联系。

电阻的大小与温度有关，在不同的温度条件下，电阻阻值的大小也会相应的改变。在估算磷酸铁电池SOC过程中，应充分考虑温度对内阻影响。

电池放电开始时，电池内阻的阻值呈现出平缓基本不变的趋势，在放电到一定程度后，也就是放电达到一半以后，电池内阻才有比较明显的下降趋势。在放电快结束时，电池内部化学物质活性逐渐降低。

研究分析得出，在实际生活中，使用电池时应保持电池的电量不能过低，否则不利于电池的二次充电与寿命的延长。

四、磷酸铁锂电池的工作原理与使用方式

首先，磷酸铁锂电池的工作原理分为充电原理与放电原理。电池充电时，Li 从先迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中，锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁。

电池放电时，Li 从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内，再经导电体流到磷酸铁锂正极而开始放电。

随着磷酸铁电池循环充放电的进行，这种过程逐渐累积，造成磷酸铁理电池容量衰减、寿命降低。这就是我们常说的电池老化。老化是指电池在使用过程中容量逐渐衰减的现象。电池老化不可避免，但我们要尽可能的防止其快速老化。

其次，磷酸铁锂电池的使用方式要正确，才能有效减少电池老化的速度。在磷酸铁鲤电池实际使用过程中，人为因素可能会造成磷酸铁鲤电池容量快速衰减，加剧电池老化的进程。温度对磷酸铁钾电池影响较大，如果长期在高温环境或低温环境中使用，会加快电池老化的速度。

最后，为了防止电池过快老化，我们要尽量避免电池的过冲与过放。

五、单体电池的不一致性对电池组SOC的影响

首先，电池的健康状态不一致性对SOC有一定的影响。由于电池制造工艺技术的不确定性，即使同一批次生产出来的电池也没法完全一样，制造工艺的技术越高，电池的差异就越小。

电池的健康状态影响电池的使用寿命，所以为了方便研究与改进，应尽可能选择健康状态一致的电池，同时也提高电池组SOC估计的精度。

其次，磷酸铁鲤电池自放电率对SOC也有影响。在电池使用过程中，由于电池本身自放电率的影响，电池的电荷量也会逐渐减少。

自放电率与温度有关，一般情况下，温度与自放电率成正比关系。当磷酸铁锂电池自放电率较低时，可不考虑自放电率对SOC的影响。

最后，磷酸铁鲤电池负载功率对SOC也有影响。在负载功率变化较大的工况下，会导致混合动力船舶动力电池组的实际工作电流有较大的变化。不同放电速率的磷酸铁理电池，电压参数与电流参数也会有相应的差异。

六、延长磷酸铁理电池组使用寿命的措施

最主要的是提升电池的制造工艺技术。在电池生产过程中，尽量使电池处于同样的生产工艺环境下，大批量的生产也要做到慢工出细活，以保证同一规格的电池具有同样的性能参数，使电池具有相同的可靠性。

磷酸铁理电池性能受环境温度影响较大，需要我们对电池的工作环境具有较高的要求，应该进行相关的改进，定期检查设备，尽量避免其长期工作在高温环境中。

结语

从磷酸铁电池的电化学特性入手，介绍了磷酸铁鲤电池的内部结构特性、化学反应原理以及主要的技术参数等，介绍和分析了磷酸铁钾电池性能的主要些影响因素，基于实验数据，对电池 SOC 进行估计，分析电池性能的一些主要影响因素。

此文章可以为延长混合动力船舶上的磷酸铁理电池的使用寿命提供一定的理论支持，未来还可以从电池在功率能力的使用频率高低方面着手做进一步的研究。

参考文献

【1】廖晓军，何刺萍，钟志华，等.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势

【2】王震坡，孙逢春.钾离子动力电池特性研究-北京理工大学学报

【3】 卢杰祥，离子电池特性建模与 SOC估算研究 广州-华南理工大学