車(chē)載電池管理系統SOC現狀分析與挑戰

作為新能源行業(yè)分析領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人士，接下來(lái)的日子將隨著(zhù)自己對新能源動(dòng)力電池領(lǐng)域的深入分析，將一些電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的基礎知識分享給大家，真正了解行業(yè)本 質(zhì)技術(shù)。此次選擇動(dòng)力電池管理系統的SOC分析，一方面是因為SOC是BMS的核心，BMS是動(dòng)力電池的核心，動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心，SOC對新能 源汽車(chē)至關(guān)重要;另一方面是因為新能源汽車(chē)整體太龐大，很難說(shuō)深，說(shuō)小說(shuō)深較好把控，也學(xué)習的深入。

SOC是當前動(dòng)力電池剩余電量/容量的簡(jiǎn)稱(chēng)，汽車(chē)通過(guò)SOC，知道目前的電量狀態(tài)，通過(guò)SOC，我們把綜合影響因素說(shuō)開(kāi)去，形成一個(gè)宏觀(guān)系統的概念。

一：現狀分析

如果沒(méi)有準確的SOC，會(huì )出現的情況：

1、過(guò)充/過(guò)放情況，導致縮短電池壽命，趴窩等;

2、均衡的一致性效果不理想，降低輸出功率，動(dòng)力性能降低;

3、為了避免趴窩，設置過(guò)多冗余電量，減少整體能量輸出;

所以SOC的精確估算意義重大，對車(chē)主而言，SOC直接反應的是當下的電量狀態(tài)，還能行駛多遠的距離，確保能順利抵達目的地;對電池本身而言，SOC 的精確估計背后涉及開(kāi)路電壓、瞬時(shí)電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、電池溫度、停放時(shí)間、自放電率、庫倫效率、電阻特性、SOC初值、DOD等的非線(xiàn)性影響，而且這些外在特性彼此影響，彼此也受不同材料、不同工藝等的影響，所以精確估計SOC數值變得非常重要，其算法也是相關(guān)企業(yè)的核心競爭力之一。

接下來(lái)我們將討論SOC算法的現狀、深入分析其影響因素和實(shí)際問(wèn)題討論。

二：算法現狀

目前SOC主流估算方法有放電法、安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、卡爾曼濾波法。

■放電法即是將電池作放電實(shí)驗，以放出電量的多少為電池容量，但實(shí)際行車(chē)情況剩余電量是用來(lái)行駛的，無(wú)法單純以放電結果作為電量預估標準。

■安時(shí)積分法是通過(guò)初始 與工況狀態(tài)下電流和時(shí)間積分的和來(lái)計算當前電量，當前SOC精度主要依賴(lài)初始 和瞬時(shí)電流的精度，但是隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，誤差累計嚴重，且無(wú)法單獨修正。

■開(kāi)路電壓法是根據不同材料體系、工藝的電池其靜止開(kāi)路電壓與SOC的對應關(guān)系來(lái)計算。

但是準確的開(kāi)路電壓需要一段時(shí)間靜置恢復，因為充電和放電過(guò)程會(huì )讓電池內部化學(xué)反應持續一段時(shí)間，延長(cháng)部分極化狀態(tài)，形成極化電勢，提高和降低瞬時(shí)開(kāi)路電壓，使單純的開(kāi)路電壓在實(shí)際工況狀態(tài)下受到行車(chē)干擾而不準確。故工況狀態(tài)下測得的開(kāi)路電壓只能作為參考，并不是真實(shí)開(kāi)路電壓。

■神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法由局部電壓、電流、溫度、內阻等各種瞬時(shí)數據形成輸入層，自動(dòng)歸納規則成隱層，再通過(guò)系統模型的輸出層收斂和優(yōu)化形成瞬時(shí)SOC。各層信息互不通信、并無(wú)聯(lián)系，但目前達到商業(yè)標準的收斂、優(yōu)化、建模技術(shù)還沒(méi)有實(shí)際解決，成本高，穩定性差特點(diǎn)，技術(shù)還在研究階段。

■卡爾曼濾波法是匈牙利的R.E.Kalman 在 1960 年提出的基于最小均方差的數字濾波算法，用于最優(yōu)估算動(dòng)態(tài)系統狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是對 的初始誤差有很強的修正作用，缺點(diǎn)是需要較強的數據處理能力，準確度由電池模型決定。目前研究熱度很大。

總結來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法太難，卡爾曼濾波法研究非常多，但并不知道實(shí)際技術(shù)運行數據，放電法無(wú)法實(shí)際運用，安時(shí)積分和開(kāi)路電壓法單獨使用誤差很大。目前主流的方法是安時(shí)積分加開(kāi)路電壓法結合，實(shí)踐起來(lái)較為容易，惠州億能、科列和CATL等的乘用車(chē)誤差基本可以實(shí)現在5%以?xún)取?/p>

安時(shí)積分法和開(kāi)路電壓法影響因素影響因素也非常多，這些因素的分析對我們深入了解電池特性非常有必要，也能通過(guò)分析不斷提高和改進(jìn)SOC精確度的發(fā)展方向。

三、影響因素

SOC的準確性與動(dòng)力電池密切相關(guān)，即使用安時(shí)積分和開(kāi)路電壓計算，但也需要其他影響因素的修正系數。開(kāi)路電壓、瞬時(shí)電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、電池溫度、停放時(shí)間、自放電率、庫倫效率、電阻特性、SOC初值、DOD以及材料特性和工藝等因素彼此相關(guān)，共同決定和影響SOC狀態(tài)，下面我們將一一分析。

■開(kāi)路電壓是指電池未接負載兩端的電壓值。由于開(kāi)路電壓穩定值與SOC的大小存在曲線(xiàn)對應關(guān)系，特定的電池批次產(chǎn)品能通過(guò)擬合開(kāi)路電壓與SOC的數值關(guān)系，通過(guò)電壓來(lái)判定SOC值，但實(shí)際運行過(guò)程中：

溫度越高，開(kāi)路電壓越高。溫度升高，電解液粘度越低，介電常數提高，歐姆內阻降低，電壓升高;電極活性材料利用率越高，活化極化降低，鋰離子遷移阻力降低，電壓升高，同時(shí)容量和放電功率提高。溫度降低情況相反。

(配圖以磷酸鐵鋰實(shí)驗數據為參考)

內阻越低，開(kāi)路電壓越高。

充電使開(kāi)路電壓變高，因為受到電極極化影響，電化學(xué)反應速度趕不上充電電荷傳遞速度，形成極化電勢，使充電過(guò)程中和結束后一段時(shí)間開(kāi)路電壓高于穩定值。倍率越大極化越大，瞬時(shí)電壓與真實(shí)電壓誤差越大。(這也是為何大電流充電電量不經(jīng)用的原因——高倍率充電狀態(tài)的電壓值短時(shí)間偏大導致SOC值偏大，此時(shí)SOC值如果未計入高倍率充電誤差系數將會(huì )失真嚴重)放電情況相反。

■瞬時(shí)放電電流高，電子遷移出去但正價(jià)鋰離子還未遷移出去，使負極電勢提高，正極得到電子但正價(jià)鋰離子還未嵌入，使正極電勢降低，兩者情況共同作用，使總開(kāi)路電壓降低。倍率越高越明顯，瞬時(shí)放電相反。

■溫度越高，內阻越低，電解液離子遷移速度越快，電極活性提高，相對可以提高電池的容量和輸出功率。實(shí)際SOC因溫度升高變高，溫度降低而變低。

■停放時(shí)間一是因為極化電勢的衰減，二是自放電導致電量降低。當時(shí)間足夠長(cháng)，與自放電率的乘積便是電量修正減值。