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(cè)中給出的充電建議卻迥然不同：三元鋰方案會(huì)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(huì)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(hù)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(gè)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(gè)精力過盛的青年人，當(dāng)處于不加控制的過充狀態(tài)時(shí)，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(duì)適中。
在充電過程中，磷酸鐵鋰中的一部分鋰離子會(huì)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(shí)，正極會(huì)釋放出電子，這些電子會(huì)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(huì)從負(fù)極脫離，穿過電解質(zhì)隔膜，最終到達(dá)正極。同時(shí)，負(fù)極也會(huì)釋放電子，這些電子同樣會(huì)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(jī)制相對(duì)簡單，因此磷酸鐵鋰電池的安全性和壽命都相當(dāng)不錯(cuò)。
2. 什么是電荷狀態(tài)SOC?它可以判定動(dòng)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(dòng)力電池SOC(Status of Charge)是一個(gè)繞不開的話題。
動(dòng)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(shí)，我們其實(shí)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(gè)百分比。比如，如果一個(gè)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(duì)于電動(dòng)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(huì)體現(xiàn)出動(dòng)力電池的狀態(tài)，因此車主最好能定時(shí)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(jì)算的。目前行業(yè)通用的SOC計(jì)算方法是“安時(shí)積分法”，即通過電流傳感器采集的電池包實(shí)時(shí)電流(單位：安培)根據(jù)時(shí)間(單位：小時(shí))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(shí)積分法”計(jì)算電池SOC過程中會(huì)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(duì)SOC展開校準(zhǔn)至關(guān)重要。通過校準(zhǔn)，車主可以及時(shí)糾正SOC的計(jì)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(jì)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(duì)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(shí)間。
“SOC-OCV修正”是一種常見的SOC校準(zhǔn)方法。在這個(gè)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(tái)期狀態(tài)，即隨著SOC的變化，電壓變化不明顯。在這個(gè)階段，我們無法通過OCV準(zhǔn)確地判斷出此時(shí)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(hù)?
5. 最科學(xué)的磷酸鐵鋰校準(zhǔn)SOC：滿充更比低電強(qiáng)
根據(jù)我們前面的科普，大家可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)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(gè)區(qū)間內(nèi)，對(duì)于低SOC區(qū)間的修正，其觸發(fā)條件相對(duì)于滿充修正更為嚴(yán)格。這是因?yàn)镺CV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(shí)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(duì)較為單一，因此滿充時(shí)的電芯極化電壓恒定。可以認(rèn)為滿充時(shí)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(shí)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(hù)。
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(jī)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(duì)三元理電池來說，電荷狀態(tài)SOC從0%到100%的整個(gè)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(shí)更容易受到損害：每當(dāng)三元鋰電池充至滿電狀態(tài)時(shí)，都會(huì)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(shí)都有自己的獨(dú)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(shí)際使用情況出發(fā)，匹配自己最適合的電池方案，這兩個(gè)選擇無關(guān)對(duì)錯(cuò)，只有取舍。
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