磷酸铁锂电池VS三元锂电池,充放电养护原理一次说清_1

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磷酸铁锂电池VS三元锂电池,充放电养护原理一次说清

admin
2024-02-01 17:08 本站

你真的了解新能源汽车的电池吗?

作为目前新能源车广泛采用的两种锂电池方案,三元锂电池和磷酸铁锂电池在车辆用户手册中给出的充电建议却迥然不同:三元锂方案会明确告知车主,如果不是长途行驶,尽量就不要将电池充满;而磷酸铁锂则会建议最好每周将电池彻底充满一次。

同为锂电池,为什么两大方案在日常养护中却存在如此区别?用一句不全面但易于理解的比喻来解释,磷酸铁锂电池就像一个情绪稳定的成年人,虽然状态稳定,但需要彻底的充放电来提高活力;而三元锂电池则像一个精力过盛的青年人,当处于不加控制的过充状态时,不仅可能减少寿命,还可能引发安全问题。

话不多说,我们现在就来“揭秘”两大电池方案“保持状态”的底层密码。

1、磷酸铁锂电池:长寿命、高安全性的底层逻辑是什么?

作为引发锂电池革命的新材料,磷酸铁锂(LFP)电池相信大家都不陌生,它采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料、石墨作为负极材料,它单体额定电压通常约为3.2V,并且充电截止电压一般在3.65V至3.8V之间,相比于其它电池,工作电压相对适中。

在充电过程中,磷酸铁锂中的一部分锂离子会脱离正极,穿过电解质隔膜,最终嵌入到负极的碳材料中。同时,正极会释放出电子,这些电子会通过外部电路到达负极,以维持化学反应的平衡。

而在放电过程中,锂离子会从负极脱离,穿过电解质隔膜,最终到达正极。同时,负极也会释放电子,这些电子同样会通过外部电路到达正极,为外界提供放电能量。

可以说,正是由于上述化学反应机制相对简单,因此磷酸铁锂电池的安全性和寿命都相当不错。

2. 什么是电荷状态SOC?它可以判定动力电池的状态吗?

想比较三元锂电池和磷酸铁锂电池的不同,动力电池SOC(Status of Charge)是一个绕不开的话题。

动力电池SOC(Status of Charge)意指电荷状态,它主要用来反映电池的剩余容量,应用在车上就是电量百分比,从而在一定程度上推断出车辆的续航里程。因此,当我们谈论电池的SOC(State of Charge)时,我们其实是在谈论电池的充电状态。

简单来说,SOC就是用来表示电池当前充电量的一个百分比。比如,如果一个电池的SOC是100%,那就表示它是完全充满的;而如果SOC是50%,就表示它还有一半的电量;如果SOC是0%,那就是完全没电。

显然,作为车辆的功能状态指标,SOC对于电动汽车而言非常重要。了解电池的SOC,可以帮助车主合理使用电量,避免过度放电或充电,从而延长电池的使用寿命。

3. 为何电荷状态SOC需要定期校准?

既然SOC的变化,在一定程度上会体现出动力电池的状态,因此车主最好能定时校准SOC。

为了更好地讨论该问题,我们首先要了解SOC是如何计算的。目前行业通用的SOC计算方法是“安时积分法”,即通过电流传感器采集的电池包实时电流(单位:安培)根据时间(单位:小时)进行积分,得到的结果即为充入电池包/从电池包放出的容量(单位:Ah)。然后,将电池包当前的容量(单位:Ah)与其标称容量(单位:Ah)进行比较,得出的百分比,即为当前电池包的SOC。

然而,由于硬件精度限制,电流传感器无法采集到最准确的电流信息。因此,在使用“安时积分法”计算电池SOC过程中会存在误差。长期以往,这种误差经过累积,最终导致了SOC虚高或虚低(不准确)现象,从而影响电池的正常使用。

因此,定期对SOC展开校准至关重要。通过校准,车主可以及时纠正SOC的计算误差,确保电池的使用安全和可靠性。而这一过程,正可以通过特定的校准程序和算法来进行,以确保电池的SOC计算始终保持准确。

4. 如何校准电荷状态SOC?

现在,我们即将进入对比磷酸铁锂和三元锂电池的核心板块,开始真正的硬核解读时间。

“SOC-OCV修正”是一种常见的SOC校准方法。在这个方法中,OCV代表开路电压(Open Circuit Voltage),指的是电池在无负载情况下测得的电压。由于电池在不同SOC状态下的OCV也不同,因此SOC与OCV之间有着较为明显的映射关系,所以通过测量电池的OCV可以估算出电池当前的SOC。

下图为我们展示了磷酸铁锂(LFP)电池的SOC-OCV曲线。可以清楚地看到,在低SOC区间和满充阶段,LFP电池的OCV和SOC之间存在明显的映射关系。这意味着通过OCV可以准确且唯一地确定SOC值,从而完成SOC的修正任务。然而,在SOC为25%至98%的中间阶段,OCV呈现出平台期状态,即随着SOC的变化,电压变化不明显。在这个阶段,我们无法通过OCV准确地判断出此时的SOC值进行校准。

用口语解释,也就是说,磷酸铁锂电池只有在低电量区间和满充阶段,在能精准的判定电荷状态SOC。那么是不是可以说,在低电量区间和满充阶,磷酸铁锂电池是不是都可以展开科学的校准养护?

5. 最科学的磷酸铁锂校准SOC:满充更比低电强

根据我们前面的科普,大家可以发现,针对磷酸铁锂(LFP)电池,可用于校准的OCV范围有限,仅限于低SOC区间和满充区间。

然而,在这两个区间内,对于低SOC区间的修正,其触发条件相对于满充修正更为严格。这是因为OCV指的是电池在没有负载情况下的电压。

因此,当电池放电至低SOC区间后,需要经过一段时间的静置,等待电池彻底卸掉负载(即电芯去极化过程)。只有在这种情况下测量的OCV才被认为是准确的,才能进行SOC-OCV修正。

相比之下,满充区间的工况相对较为单一,因此满充时的电芯极化电压恒定。可以认为满充时刻的电池包电压恒定不变,即满充电压=OCV(SOC=100%)+ 恒定的极化电压。因此,无需进行静置等待,即可在电池满充时刻触发SOC修正。

前段时间,特斯拉和极越官方都建议将磷酸铁锂版车型的电池充满。这其中,特斯拉主要是因为在特斯拉磷酸铁锂电池车型上市初期,由于车辆数据不足,BMS对电量判断不准确,因此受到吐槽。为了获取更多的校正数据,特斯拉建议磷酸铁锂电池每周充满一至两次,用于修正BMS相关数据。极越也为极越01车主提供了相关建议,要注意电池的养护。

总结而言,磷酸铁锂(LFP)电池在使用过程中建议每周充满一至两次,以用于校准SOC,从而保障电池更加合理的使用。

One more thing:为何三元锂电池就无需满充校准?

由于不同的化学机理,三元锂电池的SOC-OCV映射关系,较磷酸铁锂(LFP)电池更为清晰,如下图所示:

从图中可以看出,对三元理电池来说,电荷状态SOC从0%到100%的整个使用区间,都可以进行SOC-OCV校准。

更重要的是,三元锂电池因其化学特性,在充电至满电时更容易受到损害:每当三元锂电池充至满电状态时,都会增加电池的内部压力和温度,这可能导致活性材料的消耗,从而降低电池的寿命。因此,为了延长三元锂电池的寿命,通常也都建议三元锂电池尽量避免充满状态。

长期以来,“三元锂”和“磷酸铁锂”方案的选择,一直都众说纷纭。但从上面的技术拆解可以清晰地看出,两大主流方案其实都有自己的独特优势:如果车主选择更侧重于用车安全和使用寿命,肯定是首选磷酸铁锂电池更能满足需求,反之,也可以选择在续航层面拥有一定优势的三元锂方案。因此,在购车前,大家可从自己的实际使用情况出发,匹配自己最适合的电池方案,这两个选择无关对错,只有取舍。

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