磷酸铁锂的 OCV-SOC 曲线
先理解两个概念:
OC: state of charge, 电池剩余电量。
OCV: open circuit voltage, 开路电压,指的是在充电或放电状态下,在连续充放电之后,等待电池电流恢复到零的过程中电池的电压。
当 SOC 为 100% 时,此时所有的锂离子从正极跑到了负极,镶嵌在负极的碳中。而放电过程也正是锂离子从负极跑到正极的过程,当负极的锂离子全部跑到正极,此时 SOC 为 0%。
放电时,不论 SOC 的值是多少,磷酸铁锂正极的电压都是 3.45V,磷酸铁锂负极的电压是变化值,在 SOC 等于 0% 时,负极电压值在 1.5V 左右,但是当 SOC 接近 100% 时,电压值只有 0.08V 左右。所以 OCV 范围在 1.95V-3.37V,它的 OCV-SOC 曲线如下:
从图中我们可以看到,SOC 在 20% - 80% 时曲线过于平坦,极值只有 0.1V 左右,这就导致了一个问题:SOC 在此范围内容易测不准。而三元锂电池的 OCV-SOC 曲线很线性,不会产生测不准的问题。
那么既然电压测不准,厂家是如何测量 SOC 的呢?不同厂商所用的方法也有所不同,一种方案是通过计算电流和时间的积分估算电池剩余容量,这种方法很依赖传感器的精度,长时间没有充满校准,误差会不断积累变大,另外低温也会导致电池容量降低,也会影响此方式的测量精度。
因此插电混动车如果长时间不充满电校准,SOC 测量误差会越积越大,甚至出现跳电和失速、EV受限问题。
磷酸铁锂的充放电保护电压
一般来说,过放保护电压是2.0V-2.6V,过充保护电压是3.65V-3.8V,而磷酸铁锂的 OCV 范围在 1.95V-3.37V 之间。
为何过放保护电压最低值设置为 2.0V 呢?
这是因为磷酸铁锂电池负极被铜包裹,完全放电时负极碳中的锂离子已经全部去了正极,如果此时继续放电,负极的铜会释放出铜离子移入正极,电池会失效。所以电池都有过放保护,延长电池使用寿命!
为何过充保护电压最高是 3.8V ?这已远远超过 3.37V ?
电压过高对正极,负极,隔膜和外壳都没有影响,但是电压过高对电解液有影响。电压过高会造成电解液的分解,然后产生大量的气体,大量数据表明电压低于 3.8V 时产生气体现象很少。
磷酸铁锂一致性差
磷酸铁锂一致性差,指的是磷酸铁锂不同电芯之间剩余电量一致性差。这是因为磷酸铁锂电池内阻高,每个电芯内阻都有所差异,充放电时有部分电量被内阻消耗了(相当于几个一样大的瓶子都在漏水,但是漏水的体积有所差异),时间久了各个电池之间电量差异会越来越大。
另外一个便是二价铁在氧化还原反应过程中有可能被氧化或还原成三价铁和铁单质,亦有可能改变电池内阻。
再加上 SOC 测不准的问题,某个单体电池过充过放也都会影响电池内阻。最终则可能产生 4 个电芯实际 SOC 为 80%,70%,50%, 30% 的情况发生,此为磷酸铁锂一致性差问题。
电池的木桶效应
新能源汽车电池包是由一个个单体的电池(电芯)串联或并联组成的模组,再由多个模组联合组成电池包。
磷酸铁锂的单体电池循环次数可达 3000 - 4000 次,但是整个电池包寿命受最差的单体电芯影响,整体循环可能达不到 4000 次甚至低于 3000 次,这就是电池的木桶效应。
假设有4个单体电芯,其 SOC 为 80% ,80%, 80%,30%。因为 30% 和 80% 的 OCV 电压差距不大,此时系统可能计算整体 SOC 为 75%。
当 30%的电芯用完电时,此时 4 个电池的 SOC 为 50%, 50%,50%, 0%
此时电池管理系统为何保护最差的那一块电池,会触发电池的过放电保护,系统整体的 SOC 会显示为 0%。
这个时候你就会发现你只用了 30% 的电,电量显示从 75% 直接降到了 0%,也就是跳电现象,直接跳电到 0% 则会出现 EV 受限。
如何解决?
电池发热过大影响内阻,热量 Q=I*I*R*T, Q=PT
输入功率时减小充电电流可以减少内阻消耗热量,快充使用的是大电流方案,有慢充条件尽量使用慢充。
输出功率时避免频繁地板油输出较大功率也能减少电池发热。
SOC 测量不准导致的过度放电也会影响电池容量和内阻,因此避免低电量使用,建议 20% 时充电。
同时也应定期充满电校准 SOC。
现在的电池管理系统都配备有电池主动均衡策略,对于磷酸铁锂来说,不怕过充,就怕过放,因此有慢充条件时可以一直插着充电,电池均衡是一个缓慢的过程,小电流充电有助于电池均衡,延长电池的使用寿命!
磷酸铁锂(lfp)电芯在95%-15%这一大SOC区间内,存在开路电压平台期,即在该区间中,开路电压(OCV)随SOC变化较小。而电池一致性通常根据电压差进行主动或被动均衡,lfp在平台期内,就算两块串联电池SOC相差较大,压差也不明显,触发不了主动/被动均衡,再加上安时积分估计SOC的误差累加,最终导致串联的lfp的SOC一致性差。
解决方法就是定期充满电,充电时会触发充电均衡,且lfp在95%以上SOC时,ocv平台消失,从而暂时解决soc一致性差的现象。
来源:锂电正极材料工艺
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