新型BMS、SOH、SOC電池容量計算系統

艾貽霞

摘要：電池容量SOH和運行效率決定了車輛的行駛里程，電池的剩余容量SOC決定了車輛還能行駛的距離，電池的質量決定了電池的使用時間。使用時不過充、不過放，電池的使用時間便可大大延長。由于電池的虛電效應和電壓/容量關系是非線性的，用電壓作為容量指示非常不準確，無法達到正確顯示剩余電量SOC的目的，尤其不能正確估算出電池當前最大容量SOH。新型SOH、SOC電池容量估算系統能提供智能、準確、穩定的電池狀態數據。

關鍵詞：電池容量;BMS;SOH;SOC

Abstract： The battery capacity SOH and operating efficiency determine the mileage of the vehicle， the remaining capacity SOC of the battery determines the distance that the vehicle can travel， and the quality of the battery determines the battery life. If the battery is not overcharged or discharged， the battery life can be greatly extended. Since the virtual power effect of the battery and the voltage/capacity relationship are non-linear， using voltage as a capacity indicator is very inaccurate and cannot achieve the purpose of correctly displaying the remaining power SOC， especially the current maximum capacity SOH of the battery cannot be correctly estimated. The new SOH and SOC battery capacity estimation system can provide intelligent， accurate and stable battery status data.

0? 引言

本文介紹一種智能、穩定、準確的電池狀態數據系統，只關注剩余里程，避免過放電對電池造成傷害，有效延長電池使用壽命。

1? 電池BMS、SOH和電池SOC簡介

電池BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一個字母簡稱組合，稱之為電池管理系統。俗稱之為電池保姆或電池管家;電池管理系統（BMS）主要就是為了智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。BMS的工作原理：通過對與之配套的電流變送器、速度傳感器和其他變送器（溫度、電壓等）輸出電信號的采集，用一定的數學模型計算出SOH、SOC、瞬時速度、累積里程、續航、kWh等，并進行顯示和儲存。有的BMS還具有將SOH轉換成電信號進行輸出和進行定量控制的功能。

電池SOH是指電池組的最大蓄電能力（Ah），電池SOH相當于燃油車加滿油的油箱體積，續航里程取決于油箱體積的大小。電池SOH的大小代表著蓄電能力、續航里程的多少，電池組SOH顯示電池組工作性能，車輛續航狀態，為保障電池組正常使用，延長電池組使用壽命提供關鍵數據。

電池SOH是計算電池SOC的基礎，沒有準確的電池SOH，就得不到準確的電池SOC，準確計算電池組SOH是電池檢測的萬物之本。

電池SOC是指電池組的剩余電量（Ah）與電池SOH的百分比。

這相當于燃油車油箱還剩多少油。

2? 電池BMS的組成

目前低速電動車（包括兩輪、三輪、四輪），由以下幾大部分組成：車架（車身、底盤、車門、車窗、車座、方向盤、儀表臺等等）;滾動傳動（車輪、減震、車軸、變速箱、電機、控制器、剎車等等）;電控（轉向燈、大燈、尾燈、內燈、線束、報警、電纜充電器、儀表、多媒體、DC/DC電源等等）;電池。

①“車架”部分決定了駕乘的舒適程度。其外觀、內飾、座椅等好壞非常直觀，使用者或購買者通過觀察非常容易看出其質量。日常使用中，也很容易看出是否正常。

②“滾動傳動”部分決定了車輛的運行效率和安全。這部分的性能，購買者可以通過試乘、試駕體驗出這部分的加速、剎車的潤滑程度。日常使用中，車輛的運行順滑程度，剎車的靈敏程度，使用者都可以體驗出來，有問題及時維護。但運行效率不能通過試乘、試駕和日常使用得到相關數據。細心的人通過經驗可能估計出大約運行效率，但這只是估計沒有確切數值。運行效率可以說明車輛目前健康狀況。目前低速電動車不具備這個功能。

③“電控”部分給出車輛的行駛狀態和內部電路連接。購買者和使用者可以通過搬動相應開關和剎車踏板檢驗各種燈光的好壞，目測檢查電纜的連接情況。

④“電池”部分是純電動車輛提供動力和能量的唯一來源。電池容量SOH和運行效率決定了車輛的行駛里程。電池的剩余容量SOC決定了車輛還能行駛的距離。電池的質量決定了電池的使用時間（壽命）。仔細合理的使用（例如：不過充、過放）可以大大延長電池的使用壽命。

3? 電池SOH、電池SOC計算難度

燃油車油箱體積與電池組SOH之間又有不同，燃油車油箱體積出廠以后就固定不變了，而電池組SOH會隨著時間、溫度、負載率、電池組老化等改變是變化，把電池組SOH比同燃油車油箱，油箱不隨時間而變化，從這點來講，兩者又不完全相同，電池組SOH可以比作是一個體積隨時間變化的油箱。

這樣問題就來了，為什么電池組SOH是時間函數？可不可以不是時間的函數？回答是否定的，為什么？因為在實驗室溫度可以保持不變，恒電流可以使負載率保持不變，但做不到電池組老化保持不變，電池組在使用過程中，不可能保持溫度恒定、電流恒定，使用恒溫、恒流獲得電池SOH也沒有意義。

電池SOH是一個什么樣的時間函數？它與哪些主要因素有關？電池生產者和使用者都知道，溫度、負載率、電池老化隨著時間的變化，春、夏、秋、冬四季溫度變化很大，在地球溫帶，溫差也有至少40℃。受目前電池技術的局限，電池特性、電池活性、蓄電能力均受溫度影響很大，室外溫度30℃和-10℃的電池SOH可以相差將近1倍，室外溫度30℃時100Ah的電池SOH可能是120多Ah，-10℃時的電池SOH只有60多Ah。負載率變化對電池組SOH也有影響，負載率越大電池SOH越小，負載率越小電池SOH越大。電池組如果安裝在電動車上，電動踏板變化快慢、載人多少、載貨多少、車速快慢、上坡、下坡、逆風、順風等因素，都會產生不同的負載率。電池組使用一段時間，電池組會老化、容量衰減，都會增加電池SOH計算帶來的不確定度。電池組老化沒有統一的規律，各個電池組老化不盡相同，與電池組的使用者有很大關系，按標準規范使用的電池組老化衰減慢一些，不按標準規范使用的電池組老化衰減快一些，經常使用的電池組老化衰減慢一些，長期放置不用的電池組老化衰減快一些。因此電池組SOH是一個多變量，老化衰減函數無法用物理手段獲得，計算非常困難。

4? 目前國內外電池SOH、電池SOC的現狀

目前國內外使用的電池SOH主要計算方法，有庫倫計數法+OCV（開路電壓），就是對放電、充電電流進行精確累加，再用開路電壓進行修正和溫度補償+衰減修正。還有卡爾曼濾波算法等。這些算法都需要建立一個數學模型，有溫度曲線補償變量、電流變量、衰減模型變量等，通過對各個變量在線測量，獲得數值帶入數學模型進行計算。例如溫度變量，做溫度對電池影響曲線函數，需要將溫度細分成很多點，逐一做出全量程電池SOH曲線，耗費了大量人力、物力和時間，只做出了溫度一元函數關系，而且還是離散的，沒有考慮到負載率、老化衰減等其他變量的影響。由于電池組的差異，一組被實驗電池組得出的溫度-電池SOH關系曲線，與其他電池組的溫度-電池SOH關系曲線不完全一致，只能近似代替其他電池組曲線，近似同類、同種、同型號電池，當更換電池型號時必須進行重新測試，使用起來非常復雜，測量不確定度很大。溫度曲線是間斷、不連續、近似的，與負載率、電池老化的關系是近似值，得到的電池SOH不可靠，穩定性、重復性、動態準確性都比較差，有關電池SOH的相關文獻很多，請讀者自行查看，這里就不多說了。

5? 介紹一種使用新型數學模型、穩定性、重復性好，自適應、自學習、動態電池SOH計算系統

這種系統測量電池SOH、電池SOC與目前電池SOH、電池SOC的區別和先進性：

首先新系統在估算電池組SOH時，不需要繁雜的溫度補償模型，它可以根據電池組的電流、電壓狀態，求得電池組在這個溫度下的內在特性。

根據負載率變化求得電池組在這個溫度下內在特性，再根據電池老化衰減，在這個溫度、負載率狀態下的內在特性，從而計算出電池組當前的電池SOH和電池SOC。

在電池SOH計算模型中沒有溫度這個變量，不需要溫度傳感器測量溫度來補償電池SOH的算法。下面是某組電池一年4季不加溫度變量，獲得的溫度與電池SOH變化曲線（如圖1所示）。

圖中：縱坐標是電池SOH（單位Ah）和溫度（單位℃）;橫坐標是時間t。

從圖1可以看出，2017.12～2019.1，某品牌72V32Ah電池組，動態（車載路跑）實測獲得的冬、春、夏、秋、冬一年四季溫度變化導致電池SOH變化的關系曲線，溫度變化對電池組SOH的影響非常明顯，沒有使用溫度傳感器的電池SOH是準確的，同時包含了負載率變化和電池老化的因素。

這種全新電池SOH數學模型計算系統，突破現有電池SOH估算框架思路，具有穩定性、重復性好、自學習、自適應、自動跟蹤智能檢測功能，經過一年多的車載路跑測試，行駛總里程12900多公里，總放電310kWh，證明它能適應復雜路況和各種駕駛習慣，由于條件限制只在山東地區實驗，一年四季不同溫度環境下，能正確計算出電池組的SOH，為電池SOH計算增加了一個新方法，為電動車電池SOH檢測，顯示準確數據提供了一套有力工具。

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