你真的了解新能源汽車的電池嗎?
作為目前新能源車廣泛采用的兩種鋰電池方案，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在車輛用戶手冊中給出的充電建議卻迥然不同：三元鋰方案會明確告知車主，如果不是長途行駛，盡量就不要將電池充滿;而磷酸鐵鋰則會建議最好每周將電池徹底充滿一次。
同為鋰電池，為什么兩大方案在日常養(yǎng)護中卻存在如此區(qū)別?用一句不全面但易于理解的比喻來解釋，磷酸鐵鋰電池就像一個情緒穩(wěn)定的成年人，雖然狀態(tài)穩(wěn)定，但需要徹底的充放電來提高活力;而三元鋰電池則像一個精力過盛的青年人，當(dāng)處于不加控制的過充狀態(tài)時，不僅可能減少壽命，還可能引發(fā)安全問題。
話不多說，我們現(xiàn)在就來“揭秘”兩大電池方案“保持狀態(tài)”的底層密碼。
1、磷酸鐵鋰電池：長壽命、高安全性的底層邏輯是什么?
作為引發(fā)鋰電池革命的新材料，磷酸鐵鋰(LFP)電池相信大家都不陌生，它采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料、石墨作為負(fù)極材料，它單體額定電壓通常約為3.2V，并且充電截止電壓一般在3.65V至3.8V之間，相比于其它電池，工作電壓相對適中。
在充電過程中，磷酸鐵鋰中的一部分鋰離子會脫離正極，穿過電解質(zhì)隔膜，最終嵌入到負(fù)極的碳材料中。同時，正極會釋放出電子，這些電子會通過外部電路到達(dá)負(fù)極，以維持化學(xué)反應(yīng)的平衡。
而在放電過程中，鋰離子會從負(fù)極脫離，穿過電解質(zhì)隔膜，最終到達(dá)正極。同時，負(fù)極也會釋放電子，這些電子同樣會通過外部電路到達(dá)正極，為外界提供放電能量。
可以說，正是由于上述化學(xué)反應(yīng)機制相對簡單，因此磷酸鐵鋰電池的安全性和壽命都相當(dāng)不錯。
2. 什么是電荷狀態(tài)SOC?它可以判定動力電池的狀態(tài)嗎?
想比較三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的不同，動力電池SOC(Status of Charge)是一個繞不開的話題。
動力電池SOC(Status of Charge)意指電荷狀態(tài)，它主要用來反映電池的剩余容量，應(yīng)用在車上就是電量百分比，從而在一定程度上推斷出車輛的續(xù)航里程。因此，當(dāng)我們談?wù)撾姵氐腟OC(State of Charge)時，我們其實是在談?wù)撾姵氐某潆姞顟B(tài)。
簡單來說，SOC就是用來表示電池當(dāng)前充電量的一個百分比。比如，如果一個電池的SOC是100%，那就表示它是完全充滿的;而如果SOC是50%，就表示它還有一半的電量;如果SOC是0%，那就是完全沒電。
顯然，作為車輛的功能狀態(tài)指標(biāo)，SOC對于電動汽車而言非常重要。了解電池的SOC，可以幫助車主合理使用電量，避免過度放電或充電，從而延長電池的使用壽命。
3. 為何電荷狀態(tài)SOC需要定期校準(zhǔn)?
既然SOC的變化，在一定程度上會體現(xiàn)出動力電池的狀態(tài)，因此車主最好能定時校準(zhǔn)SOC。
為了更好地討論該問題，我們首先要了解SOC是如何計算的。目前行業(yè)通用的SOC計算方法是“安時積分法”，即通過電流傳感器采集的電池包實時電流(單位：安培)根據(jù)時間(單位：小時)進(jìn)行積分，得到的結(jié)果即為充入電池包/從電池包放出的容量(單位：Ah)。然后，將電池包當(dāng)前的容量(單位：Ah)與其標(biāo)稱容量(單位：Ah)進(jìn)行比較，得出的百分比，即為當(dāng)前電池包的SOC。
然而，由于硬件精度限制，電流傳感器無法采集到最準(zhǔn)確的電流信息。因此，在使用“安時積分法”計算電池SOC過程中會存在誤差。長期以往，這種誤差經(jīng)過累積，最終導(dǎo)致了SOC虛高或虛低(不準(zhǔn)確)現(xiàn)象，從而影響電池的正常使用。
因此，定期對SOC展開校準(zhǔn)至關(guān)重要。通過校準(zhǔn)，車主可以及時糾正SOC的計算誤差，確保電池的使用安全和可靠性。而這一過程，正可以通過特定的校準(zhǔn)程序和算法來進(jìn)行，以確保電池的SOC計算始終保持準(zhǔn)確。
4. 如何校準(zhǔn)電荷狀態(tài)SOC?
現(xiàn)在，我們即將進(jìn)入對比磷酸鐵鋰和三元鋰電池的核心板塊，開始真正的硬核解讀時間。
“SOC-OCV修正”是一種常見的SOC校準(zhǔn)方法。在這個方法中，OCV代表開路電壓(Open Circuit Voltage)，指的是電池在無負(fù)載情況下測得的電壓。由于電池在不同SOC狀態(tài)下的OCV也不同，因此SOC與OCV之間有著較為明顯的映射關(guān)系，所以通過測量電池的OCV可以估算出電池當(dāng)前的SOC。
下圖為我們展示了磷酸鐵鋰(LFP)電池的SOC-OCV曲線。可以清楚地看到，在低SOC區(qū)間和滿充階段，LFP電池的OCV和SOC之間存在明顯的映射關(guān)系。這意味著通過OCV可以準(zhǔn)確且唯一地確定SOC值，從而完成SOC的修正任務(wù)。然而，在SOC為25%至98%的中間階段，OCV呈現(xiàn)出平臺期狀態(tài)，即隨著SOC的變化，電壓變化不明顯。在這個階段，我們無法通過OCV準(zhǔn)確地判斷出此時的SOC值進(jìn)行校準(zhǔn)。
用口語解釋，也就是說，磷酸鐵鋰電池只有在低電量區(qū)間和滿充階段，在能精準(zhǔn)的判定電荷狀態(tài)SOC。那么是不是可以說，在低電量區(qū)間和滿充階，磷酸鐵鋰電池是不是都可以展開科學(xué)的校準(zhǔn)養(yǎng)護?
5. 最科學(xué)的磷酸鐵鋰校準(zhǔn)SOC：滿充更比低電強
根據(jù)我們前面的科普，大家可以發(fā)現(xiàn)，針對磷酸鐵鋰(LFP)電池，可用于校準(zhǔn)的OCV范圍有限，僅限于低SOC區(qū)間和滿充區(qū)間。
然而，在這兩個區(qū)間內(nèi)，對于低SOC區(qū)間的修正，其觸發(fā)條件相對于滿充修正更為嚴(yán)格。這是因為OCV指的是電池在沒有負(fù)載情況下的電壓。
因此，當(dāng)電池放電至低SOC區(qū)間后，需要經(jīng)過一段時間的靜置，等待電池徹底卸掉負(fù)載(即電芯去極化過程)。只有在這種情況下測量的OCV才被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，才能進(jìn)行SOC-OCV修正。
相比之下，滿充區(qū)間的工況相對較為單一，因此滿充時的電芯極化電壓恒定。可以認(rèn)為滿充時刻的電池包電壓恒定不變，即滿充電壓=OCV(SOC=100%)+ 恒定的極化電壓。因此，無需進(jìn)行靜置等待，即可在電池滿充時刻觸發(fā)SOC修正。
為了獲取更多的校正數(shù)據(jù)，特斯拉建議磷酸鐵鋰電池每周充滿一至兩次，用于修正BMS相關(guān)數(shù)據(jù)。極越也為極越01車主提供了相關(guān)建議，要注意電池的養(yǎng)護。
總結(jié)而言，磷酸鐵鋰(LFP)電池在使用過程中建議每周充滿一至兩次，以用于校準(zhǔn)SOC，從而保障電池更加合理的使用。
One more thing：為何三元鋰電池就無需滿充校準(zhǔn)?
由于不同的化學(xué)機理，三元鋰電池的SOC-OCV映射關(guān)系，較磷酸鐵鋰(LFP)電池更為清晰，如下圖所示：
從圖中可以看出，對三元理電池來說，電荷狀態(tài)SOC從0%到100%的整個使用區(qū)間，都可以進(jìn)行SOC-OCV校準(zhǔn)。
更重要的是，三元鋰電池因其化學(xué)特性，在充電至滿電時更容易受到損害：每當(dāng)三元鋰電池充至滿電狀態(tài)時，都會增加電池的內(nèi)部壓力和溫度，這可能導(dǎo)致活性材料的消耗，從而降低電池的壽命。因此，為了延長三元鋰電池的壽命，通常也都建議三元鋰電池盡量避免充滿狀態(tài)。
長期以來，“三元鋰”和“磷酸鐵鋰”方案的選擇，一直都眾說紛紜。但從上面的技術(shù)拆解可以清晰地看出，兩大主流方案其實都有自己的獨特優(yōu)勢：如果車主選擇更側(cè)重于用車安全和使用壽命，肯定是首選磷酸鐵鋰電池更能滿足需求，反之，也可以選擇在續(xù)航層面擁有一定優(yōu)勢的三元鋰方案。因此，在購車前，大家可從自己的實際使用情況出發(fā)，匹配自己最適合的電池方案，這兩個選擇無關(guān)對錯，只有取舍。
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