動力鋰電池 B M S 中 S O C 的計算方法

河北御捷車業(yè)有限公司 嚴永利

中國汽車技術(shù)研究中心 季傳龍

雷沃股份有限公司諸城車輛廠 王建峰

西安中熔電氣股份有限公司 劉海艷

浙江吉利汽車研究院有限公司 巢一鳴

湖南吉利汽車部件有限公司 向桂洪 肖武輝

河北御捷車業(yè)有限公司 孫春鋒

動力鋰電池 B M S 中 S O C 的計算方法

河北御捷車業(yè)有限公司 嚴永利

中國汽車技術(shù)研究中心 季傳龍

雷沃股份有限公司諸城車輛廠 王建峰

西安中熔電氣股份有限公司 劉海艷

浙江吉利汽車研究院有限公司 巢一鳴

湖南吉利汽車部件有限公司 向桂洪 肖武輝

河北御捷車業(yè)有限公司 孫春鋒

動力鋰電池組中的 BMS 需要準確的計算 SOC 值，并發(fā)送給車輛中的其他 ECU，以保證車輛在各種工況下運行時，各控制模塊的ECU 在不同的 SOC 下，采用合適的控制策略，從而保證整車的行駛安全。鋰電池組中 SOC 的計算方法，一直在發(fā)展進步，本文從現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了現(xiàn)階段 BMS 對于鋰電池組 SOC值的幾種計算方法，并深入研究了 SOC 值計算的基本理論。

鋰電池 pack；BMS；SOC；電量

1 電量管理

電量管理的基本含義是通過檢測電池的某些參數(shù)，計算或者估計出電池的電量狀態(tài)，然后將電量報告給相應(yīng)的智能單元和使用人員，電量狀態(tài)用 SOC 表示。SOC 又稱為電池荷電狀態(tài)，或者電池儲存電量百分數(shù)。電池的實際電量狀態(tài)跟電池組內(nèi)單體的離散度、使用溫度和電流歷史等有關(guān)，也與其后使用溫度和電流有關(guān)。電量報告的意義在于規(guī)劃用電，防止使用過程中意外斷電或者過充過放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。

要報告電量，就要有檢測、計算或者估算電量的方法。電池電量如果不實際放電，則不是一個可以直接測量的量，必須通過電池的電壓、電流、溫度等測量值，以及電池 BMS 之外測得的內(nèi)阻、容量等參數(shù)來進行間接估算。電量估算是一個世界難題，因為即使完全一樣的測試數(shù)據(jù)，也不能代表就是同樣的 SOC。這樣在同一組參數(shù)和測試數(shù)據(jù)之下，SOC 可能的真實值，就是 SOC 估算誤差的來源。

當然，直接進行標準 SOC 測試的方式，是按標準放電方法將電池放電到低壓保護截止電壓，測試機給出的放電量就是該測試條件下的標準電量。這種方法雖然得到一個標準 SOC值，但電池也放完電了，不可能用于車輛實際的 SOC 電量管理。

2 SOC 的估算方法

2.1 以端電壓為基礎(chǔ)的方法

這種方法起源于開路電壓法，將電池靜置足夠長的時間，由于電池內(nèi)部完全達到了平衡，那么端電壓就等于電池的靜態(tài)電動勢，這與 SOC 有比較準確的對應(yīng)關(guān)系。但是這種方法是無法用于車輛實時估算 SOC 的，因為使用過程中無法留出足夠的時間來靜置電池。即使用于校準 SOC，也不能保證需要的時候就有足夠的靜置時間。所以，在實際使用中電池的端電壓，就成為考慮的參數(shù)。雖然這種方法跟開路電壓法比起來，由于電流和使用歷史，電池的不平衡部分存在不確定性，即存在誤差，但是這種誤差是固定的，每次估算誤差都會在同樣的范圍內(nèi)，因而是一種可重復的估算方法，結(jié)果在誤差范圍內(nèi)總是可信的。

電壓法的一個難點是電壓測試的精度，對于磷酸鐵鋰來說，在平臺區(qū)內(nèi)，電壓測試誤差5mV，代表 SOC 變化，對于 SOC 估算來說已經(jīng)太大了。提高電壓的測試精度，或者提高電壓的分辨率，能夠有效地解決這個問題。將電壓軸拉伸 10 倍，則電壓變化的細節(jié)分辨就提高了一個數(shù)量級，這個拉伸通過一個差分放大器就能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.2 以安時積分為基準的方法

安時法的理論基礎(chǔ)是，已用掉的電量加上剩余的電量，等于電池的容量。剩余電量是一個未來參數(shù)，但是已經(jīng)用掉的電量是一個過去參數(shù)，可以估算出來。最簡單的方法是直接將電流測試值乘以測試間隔時間作為該時間間隔的電量變化，所有電流測試間隔的電量求和得到電量變化值，然后用容量減去這個消耗掉的電量，就得到了剩余的電量絕對值，但是 SOC一般顯示一個百分數(shù)，就用剩余電量絕對值除以電池容量。SOC=（Cn-Q）/Cn。這種方法具有累積的特性，比如電流測試值比真實值小，那么估計的電量變化會比真實值小，這就形成了一個剪刀差。出現(xiàn)的極端情況是 100%和 0%狀態(tài)倒置，就是當充電充滿的時候，BMS 給出的SOC 是 0%，有的是 8%。當然這種方法還沒有考慮電池的使用環(huán)境和使用工況，方法本身的誤差有點大。而且這種方法必須要預先給定一個電池組的容量 Cn，這個給出的容量是有誤差的，因為廠家在出廠時并沒有精確地測定每一組電池的容量。然后隨著使用，電池的一致性變差，Cn 發(fā)生了變化，這個變化 BMS 是無法定量精準判定的，這里又帶入了一個誤差，單體的容量與整組電池的容量變化不同，又引進一個誤差。所有的這些誤差累加起來，很容易超過 20%，在電池組狀態(tài)比較差的情況下，SOC 還顯示 40%。

為了改進算法本身的精度，改良的安時積分法被開發(fā)和提出。線性法就是其中之一，線性法不把兩個電流測試間隔的電量變化簡單地計算為電流乘以時間間隔，而是把電量變化假設(shè)為電流、電壓、溫度等多種參數(shù)的一個線性函數(shù)。這種方法等于考慮了電池的使用歷史，擬合后消除了安時法的一項誤差來源，這是一種進步。但是安時法不只有這么一個誤差來源，因此，這種方法在實際使用中還是存在比較大的問題。

2.3 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法，把電池充放電的運行過程看作是一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，狀態(tài)有 n 個狀態(tài)參數(shù)來確定。這里考慮了更多的參數(shù)，這種方法還考慮過程激勵噪聲和觀測噪聲，分別用方差來表示。然后以當前狀態(tài)預估下一個狀態(tài)的狀態(tài)值，再以下一個狀態(tài)的實測值來驗證。這樣一個預估校正過程，能夠消除更多的誤差。但是單體的離散等依然無法解決。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是將測量值和計算值通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對應(yīng)電池的 SOC狀態(tài)，需要大量的自學習和調(diào)整，目前還并沒有成熟到實用的程度。

3 結(jié)論

本文從動力鋰電池的 SOC 的計算方法入手、從現(xiàn)狀出發(fā)，對目前常用的 SOC 計算方法進行了介紹，并深入分析了各種計算方法的優(yōu)缺點，為動力鋰電池 BMS 對于其 SOC 的計算提供了一些思路和方法，對于動力鋰電池 BMS 計算 SOC 的軟件設(shè)計具有參考意義。

[1]王芳,夏軍等．電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計[M]．北京：科學出版社,2016．

[2]EN 1987-1．Electrically propelled road vehicles-Specific requirements for safety-Part 1：On board energy storage[S]．1997．

[3]GB/T 31467．2．電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程[S]．2015．

嚴永利（1981—），男，陜西西安人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于河北御捷車業(yè)有限公司，主要研究方向：電動汽車整車動力系統(tǒng)功率匹配設(shè)計、電動汽車電子電氣系統(tǒng)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高低壓線束及安全設(shè)計、鋰電池系統(tǒng)等。

季傳龍 （身份證號：371326198811103830），現(xiàn)供職于中國汽車技術(shù)研究中心。

王建峰 （身份證號：371327198401261816），現(xiàn)供職于雷沃股份有限公司諸城車輛廠。

劉海艷 （身份證號：612723198710250827），現(xiàn)供職于西安中熔電氣股份有限公司。

巢一鳴 （身份證號：370725198710100010），現(xiàn)供職于浙江吉利汽車研究院有限公司。

向桂洪 （身份證號：500237198502030014），現(xiàn)供職于湖南吉利汽車部件有限公司技術(shù)部。

肖武輝 （身份證號：432524199011051438），現(xiàn)供職于湖南吉利汽車部件有限公司。

孫春鋒（身份證號：612301198004012776），現(xiàn)供職于河北御捷車業(yè)有限公司。