車載電池管理系統(tǒng)SOC現(xiàn)狀分析與挑戰(zhàn) - 全文

　　作為新能源行業(yè)分析領(lǐng)域的專業(yè)人士，接下來的日子將隨著自己對新能源動力電池領(lǐng)域的深入分析，將一些電動汽車技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識分享給大家，真正了解行業(yè)本 質(zhì)技術(shù)。此次選擇動力電池管理系統(tǒng)的SOC分析，一方面是因為SOC是BMS的核心，BMS是動力電池的核心，動力電池是新能源汽車的核心，SOC對新能 源汽車至關(guān)重要；另一方面是因為新能源汽車整體太龐大，很難說深，說小說深較好把控，也學(xué)習(xí)的深入。

　　SOC是當(dāng)前動力電池剩余電量/容量的簡稱，汽車通過SOC，知道目前的電量狀態(tài)，通過SOC，我們把綜合影響因素說開去，形成一個宏觀系統(tǒng)的概念。

　　一：現(xiàn)狀分析

　　如果沒有準(zhǔn)確的SOC，會出現(xiàn)的情況：

　　1、過充/過放情況，導(dǎo)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，動力性能降低；

　　3、為了避免趴窩，設(shè)置過多冗余電量，減少整體能量輸出；

　　所以SOC的精確估算意義重大，對車主而言，SOC直接反應(yīng)的是當(dāng)下的電量狀態(tài)，還能行駛多遠(yuǎn)的距離，確保能順利抵達(dá)目的地；對電池本身而言，SOC的精確估計背后涉及開路電壓、瞬時電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、電池溫度、停放時間、自放電率、庫倫效率、電阻特性、SOC初值、DOD等的非線性影響，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(shù)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。

　　接下來我們將討論SOC算法的現(xiàn)狀、深入分析其影響因素和實際問題討論。

　　二：算法現(xiàn)狀

　　目前SOC主流估算方法有放電法、安時積分法、開路電壓法、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驗，以放出電量的多少為電池容量，但實際行車情況剩余電量是用來行駛的，無法單純以放電結(jié)果作為電量預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)。

　　■安時積分法是通過初始 與工況狀態(tài)下電流和時間積分的和來計算當(dāng)前電量，當(dāng)前SOC精度主要依賴初始 和瞬時電流的精度，但是隨著時間延長，誤差累計嚴(yán)重，且無法單獨修正。

　　■開路電壓法是根據(jù)不同材料體系、工藝的電池其靜止開路電壓與SOC的對應(yīng)關(guān)系來計算。

　　但是準(zhǔn)確的開路電壓需要一段時間靜置恢復(fù)，因為充電和放電過程會讓電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)持續(xù)一段時間，延長部分極化狀態(tài)，形成極化電勢，提高和降低瞬時開路電壓，使單純的開路電壓在實際工況狀態(tài)下受到行車干擾而不準(zhǔn)確。故工況狀態(tài)下測得的開路電壓只能作為參考，并不是真實開路電壓。

　　■神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法由局部電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等各種瞬時數(shù)據(jù)形成輸入層，自動歸納規(guī)則成隱層，再通過系統(tǒng)模型的輸出層收斂和優(yōu)化形成瞬時SOC。各層信息互不通信、并無聯(lián)系，但目前達(dá)到商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的收斂、優(yōu)化、建模技術(shù)還沒有實際解決，成本高，穩(wěn)定性差特點，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(shù)字濾波算法，用于最優(yōu)估算動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。優(yōu)點是對 的初始誤差有很強的修正作用，缺點是需要較強的數(shù)據(jù)處理能力，準(zhǔn)確度由電池模型決定。目前研究熱度很大。

　　總結(jié)來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法太難，卡爾曼濾波法研究非常多，但并不知道實際技術(shù)運行數(shù)據(jù)，放電法無法實際運用，安時積分和開路電壓法單獨使用誤差很大。目前主流的方法是安時積分加開路電壓法結(jié)合，實踐起來較為容易，惠州億能、科列和CATL等的乘用車誤差基本可以實現(xiàn)在5%以內(nèi)。

　　安時積分法和開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(zhǔn)確性與動力電池密切相關(guān)，即使用安時積分和開路電壓計算，但也需要其他影響因素的修正系數(shù)。開路電壓、瞬時電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、電池溫度、停放時間、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。

　　■開路電壓是指電池未接負(fù)載兩端的電壓值。由于開路電壓穩(wěn)定值與SOC的大小存在曲線對應(yīng)關(guān)系，特定的電池批次產(chǎn)品能通過擬合開路電壓與SOC的數(shù)值關(guān)系，通過電壓來判定SOC值，但實際運行過程中：

　　溫度越高，開路電壓越高。溫度升高，電解液粘度越低，介電常數(shù)提高，歐姆內(nèi)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，同時容量和放電功率提高。溫度降低情況相反。

　?。ㄅ鋱D以磷酸鐵鋰實驗數(shù)據(jù)為參考）

　　內(nèi)阻越低，開路電壓越高。

　　充電使開路電壓變高，因為受到電極極化影響，電化學(xué)反應(yīng)速度趕不上充電電荷傳遞速度，形成極化電勢，使充電過程中和結(jié)束后一段時間開路電壓高于穩(wěn)定值。倍率越大極化越大，瞬時電壓與真實電壓誤差越大。（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)的電壓值短時間偏大導(dǎo)致SOC值偏大，此時SOC值如果未計入高倍率充電誤差系數(shù)將會失真嚴(yán)重）放電情況相反。

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

　　■溫度越高，內(nèi)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。實際SOC因溫度升高變高，溫度降低而變低。

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

　　■庫倫效率是放出電量與充電電量的比值，更好的庫倫效率，電池穩(wěn)定性越好，容量折損越少，使用壽命越長。庫倫效率與溫度、倍率放電、放電深度DOD、循環(huán)次數(shù)等有關(guān)。

　　■SOC初值直接影響通過安時積分法和OCV方法計算的瞬時SOC，一般在電池均衡后標(biāo)定準(zhǔn)確，其影響因素與SOC的同樣。

　　■DOD放電深度不同，穩(wěn)定開路電壓值也不同，如果過度充放電會造成電池不可逆的容量損失，過度充放會直接降低電池整體容量。

　　■內(nèi)阻方面分交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻。功率和容量因素主要是直流內(nèi)阻影響。直流內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜等影響；極化內(nèi)阻分為歐姆極化、活化極化、濃差極化，極化內(nèi)阻同材料、工藝和工作條件密切相關(guān)。

　　簡單歸納下內(nèi)阻特性如下：

　　■材料特性方面，正極的電壓斜率大如三元的三相變，電壓好標(biāo)定，斜率小如磷酸鐵鋰的兩相變化，電壓不好標(biāo)定；電解液的溫度特性、電壓特性，溫度、電壓窗口越大，電解液越穩(wěn)定，循環(huán)效率越大，容量損失越?。桓裟さ慕櫺?、孔隙率、厚度、電阻等。

　　■工藝一方面比較重要的是散熱工藝、電解液體系、壓實密度等直接影響材料特性和環(huán)境溫度，另一方面工藝也直接影響電池的一致性，一致性越好，SOC的標(biāo)定也越準(zhǔn)確。

　?。ú糠质欠€(wěn)定狀態(tài)，部分是工作狀態(tài)）

　　總體來說SOC的影響因素如上，這些因素是非線性互相影響，精確標(biāo)定SOC非常困難。精確標(biāo)定的SOC能提高電池使用壽命，提高輸出功率，提高經(jīng)濟(jì)性和降低維護(hù)成本。除此之外，精確標(biāo)定SOC的基礎(chǔ)也能對電池安全有幫助。

　　四、電池安全

　　新能源汽車在發(fā)展過程中，安全性是第一位的，沒有安全，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性都是沒有意義的。其中，BMS主要負(fù)責(zé)電池的保護(hù)、監(jiān)測、信息傳輸，其中保護(hù)是根據(jù)監(jiān)測來判斷，監(jiān)測有電池的外部特性如電壓、電流、溫度等信息。SOC是依據(jù)這些監(jiān)測的外部特性信息計算出來的傳輸信息。SOC告知車主當(dāng)前電量的同時，也讓汽車了解自身電量，防止過充過放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統(tǒng)底層內(nèi)部都是經(jīng)過復(fù)雜的算法計算，保證汽車安全持續(xù)穩(wěn)定運行，提高安全性。

　　■過充過放

　　過充是指電池達(dá)到滿充狀態(tài)后還繼續(xù)充電。判斷滿充狀態(tài)與否，是根據(jù)電池安全性和保證電池持續(xù)可逆循環(huán)容量來決定的電池充電最大值。如果滿充之后繼續(xù)充電，將會導(dǎo)致正極鋰離子過度脫出，晶體結(jié)構(gòu)坍塌；溫度上升，正極材料不可逆分解，減少正極材料活性容量，增加電解液副反應(yīng)，釋放氧氣和熱量。

　　負(fù)極可能析出鋰枝晶，穿刺隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路；溫度升高使SEI膜溶解脫落，降低循環(huán)壽命，加大潛在歐姆內(nèi)阻。

　　過充過放正常情況下會降低電池壽命，造成不可逆容量損失，減少輸出功率，續(xù)航能力和爬坡性能降低；重則導(dǎo)致起火燃燒，很多事故就是過充過放引起的。

　　■均衡一致性

　　新能源汽車的部分或全部能源來自電能，驅(qū)動電機控制器、電機運轉(zhuǎn)、冷熱空調(diào)、儀器儀表等等。電池由單電池電芯形成模組形成電池箱，單個電芯電壓容量低，所以需要成組串并聯(lián)，串聯(lián)提高電壓，增加輸出功率，并聯(lián)提高容量，提高續(xù)航里程。

　　但是單個電芯不一致導(dǎo)致輸出功率嚴(yán)重降低，續(xù)航里程下降，繼而導(dǎo)致過充過放等現(xiàn)象的發(fā)生。此時需要對電池進(jìn)行均衡，雖然目前國內(nèi)流行主動均衡和被動均衡，但接下來不討論兩者差別，而討論目前的均衡指標(biāo)。

　　目前主流的均衡指標(biāo)有電池實際容量、電池端電壓和電池荷電狀態(tài)三種。

　　▲電池實際容量均衡是讓電池實際容量趨于一致為目的，其辦法是將充滿狀態(tài)的電池組繼續(xù)小電流充電，即用過充辦法直到正負(fù)極板上出現(xiàn)氣泡，消除小容量對整體電池性能的影響，但是過充影響電池壽命，不安全。

　　▲電池端電壓均衡是將端電壓趨于一致為目的。但實際情況下，充電時內(nèi)阻大的電壓端電壓大，需要對其放電均衡，內(nèi)阻小的端電壓小，需要對其充電均衡；而在放電時候情況完全相反，內(nèi)阻大的端電壓小，需要對其充電均衡，內(nèi)阻小的端電壓大，需要對其放電均衡。這樣整個充放電均衡過程非?；靵y，效果并不理想。

　　▲電池荷電狀態(tài)均衡是將電池SOC值一致為目的，提高功率輸出，保證安全性。但是難點也在SOC不確定影響因素太多，如何精確估算SOC是關(guān)鍵。

　　■提高續(xù)航里程

　　精確SOC能便能放心減少額外冗余，提高電池可使用容量，增加續(xù)航里程。

　　五、總結(jié)

　　在新能源汽車蓬勃發(fā)展的今天，安全問題是第一問題。SOC是BMS的核心之一，保證電池安全，提高動力性能和循環(huán)壽命，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和功能效應(yīng)顯著。解決安全問題，行業(yè)才能長久發(fā)展，掌握核心能力，企業(yè)才有可能成為行業(yè)獨角獸。