2. 電池荷電狀態(tài)SOC及估算方法

2.1 電池荷電狀態(tài)SOC的定義

電池的荷電狀態(tài)SOC被用來反映電池的剩余電量情況，其定義為當(dāng)前可用容量占初始容量的百分比（國標(biāo)）。

美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）的《電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊》中將SOC定義如下：在指定的放電倍率下，電池剩余電量與等同條件下額定容量的比值。

SOC=QO/QN

日本本田公司的電動(dòng)汽車（EV Plus）定義SOC如下：

SOC = 剩余容量/(額定容量-容量衰減因子)

其中剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補(bǔ)償。

動(dòng)力電池的剩余電量是影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和行駛性能的主要因素，準(zhǔn)確的SOC估算可以提高電池的能量效率，延長電池的使用壽命，從而保證電動(dòng)汽車更好的行駛，同時(shí)SOC也是作為電池充放電控制和電池均衡的重要依據(jù)。

實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)電池的可測量值如電壓電流結(jié)合電池內(nèi)外界影響因素（溫度、壽命等）來實(shí)現(xiàn)電池SOC的估算算法。但是SOC受自身內(nèi)部工作環(huán)境和外界多方面因素而呈非線性特性，所以要實(shí)現(xiàn)良好的SOC估算算法必須克服這些問題。

目前，國內(nèi)外在電池SOC估算上已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用到工程上，如安時(shí)法、內(nèi)阻法、開路電壓法等。這些算法共同特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但是對實(shí)際工況中的內(nèi)外界影響因素缺乏考慮而導(dǎo)致適應(yīng)性差，難以滿足BMS對估算精度不斷提高的要求。所以在考慮SOC受到多種因素影響后，一些較為復(fù)雜的算法被提出,例如：卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊估計(jì)算法等新型算法，相比于之前的傳統(tǒng)算法其計(jì)算量大，但精度更高，其中卡爾曼濾波在計(jì)算精度和適應(yīng)性上都有很好的表現(xiàn)。

2.2 幾種SOC估算算法簡介

（1） 安時(shí)法

安時(shí)法又被稱為電流積分法，也是計(jì)算電池SOC的基礎(chǔ)。假設(shè)當(dāng)前電池SOC初始值為SOC0，在經(jīng)過t時(shí)間的充電或放電后SOC為：

Q0是電池的額定容量，i(t)是電池充放電電流（放電為正）。

事實(shí)上，SOC定義為電池的荷電狀態(tài)，而電池荷電狀態(tài)就是電池電流的積分，所以理論上講安時(shí)法是最準(zhǔn)確的。同時(shí)，它也易于實(shí)現(xiàn)，只需測量電池充放電電流和時(shí)間，而在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，采用離散化計(jì)算公式如下：

在電池實(shí)際工作中使用安時(shí)法計(jì)算SOC，受到測量誤差和噪聲干擾因素會(huì)對測量結(jié)果造成影響從而無法正確估算SOC（自放電及溫度等因素也沒有考慮），同時(shí)電池的初始SOC值無法通過安時(shí)法得到。通常，安時(shí)法使用上次電池充放電保留的SOC值作為下次計(jì)算初始值，但這樣會(huì)使SOC誤差不斷累積。所以實(shí)際工程上安時(shí)法一般作為其他算法的基礎(chǔ)或結(jié)合其他算法來進(jìn)行估算。

（2） 開路電壓法

鋰離子電池的電動(dòng)勢與電池的SOC之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，由此可以通過開路電壓進(jìn)行測量從而得到電池的SOC值。要通過開路電壓法得到電池電動(dòng)勢的準(zhǔn)確值，首先需要電池靜置一段時(shí)間，此時(shí)的開路電壓（OCV）的值可以認(rèn)為與其電動(dòng)勢數(shù)值相等，這樣就可以得到電池電動(dòng)勢并以此得到電池的SOC。通過實(shí)驗(yàn)獲得鋰電池充放電的SOC-OCV曲線，然后根據(jù)SOC-OCV曲線查詢不同開路電壓的SOC值。

開路電壓法需要電池在一段時(shí)間靜置下以消除電池電壓、容量在外界因素影響下造成的誤差，不適用于電池SOC的實(shí)時(shí)測量。另外，電池SOC在中間段開路電壓變化很小，導(dǎo)致中間SOC測量及估算誤差較大。

（3） 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法是利用系統(tǒng)和測量動(dòng)態(tài)的知識(shí)、假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和測量誤差的統(tǒng)計(jì)特性，以及初始條件信息，對測量值進(jìn)行處理，求得系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計(jì)。

電動(dòng)汽車用的電池組，可看作是由輸入和輸出組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在了解系統(tǒng)一定先驗(yàn)知識(shí)的前提下，建立系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)方程，再利用輸出的校驗(yàn)作用，獲得對系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)在內(nèi)無法直接測量的內(nèi)部參數(shù)估計(jì)。在電池等效電路模型或電化學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程。根據(jù)電池組放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法估計(jì)電池組的開路電壓，實(shí)現(xiàn)對電池荷電狀態(tài)的估計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)采集到的電壓電流，由遞推法法得到SOC的最小方差估計(jì)，解決SOC初值估計(jì)不準(zhǔn)和累計(jì)誤差的問題；缺點(diǎn)是對電池模型依賴性很強(qiáng)，對系統(tǒng)處理器的速度要求較高。

3.電池健康狀態(tài)（SOH）定義與計(jì)算

3.1 電池健康狀態(tài)SOH的定義

電池SOH的標(biāo)準(zhǔn)定義是在標(biāo)準(zhǔn)條件下動(dòng)力電池從充滿狀態(tài)以一定倍率放電至截止電壓所放出的容量與其所對應(yīng)的標(biāo)稱容量（實(shí)際初始容量）的比值，該比值是電池健康狀況的一種反映。

簡單來說，也就是電池使用一段時(shí)間后某些直接可測或間接計(jì)算得到的性能參數(shù)的實(shí)際值與標(biāo)稱值的比值，用來判斷電池健康狀況下降后的狀態(tài)，衡量電池的健康程度，其實(shí)際表現(xiàn)在電池內(nèi)部某些參數(shù)（如內(nèi)阻、容量等）的變化上。

故根據(jù)電池特征量定義電池健康狀態(tài)SOH具體有如下幾種方法：

（1） 從電池剩余電量的角度定義SOH：

SOH=Qaged/Qnew

其中，Qaged為電池當(dāng)前可用的最大電量，Qnew為電池未使用時(shí)的最大電量。

（2） 從電池容量的角度定義SOH：

SOH=CM/CN

其中，CM為電池當(dāng)前測量容量，CN為電池標(biāo)稱容量。

（3）從電池內(nèi)阻的角度定義SOH：

SOH=(REOL-R)/(REOL-Rnew)

其中，REOL為電池壽命終結(jié)時(shí)的電池內(nèi)阻，Rnew為電池出廠時(shí)的內(nèi)阻，R為電池當(dāng)前狀態(tài)下的內(nèi)阻。

注：上面從電池剩余電量或電池容量來定義SOH的公式并不是SOH的實(shí)際計(jì)算公式，這只是一種定義的方法，即這種定義的方法有唯一的對應(yīng)函數(shù)來與實(shí)際的SOH對應(yīng)。比如，基于單體電池的容量，SOH實(shí)際可用下面公式計(jì)算：

SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)

其中CEOL 為電池壽命終止（報(bào)廢）時(shí)的容量，是一個(gè)常數(shù)。上面SOH的計(jì)算公式其實(shí)與（2）中的定義是等效的。

下面簡單給出推導(dǎo)：設(shè)定義中SOH= CM/CN=X, 計(jì)算公式中SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)=Y,假設(shè)CEOL=pCN，則Y=( XCN-pCN)/(CN- pCN)=(X-p)/(1-p)，即Y是關(guān)于X的一個(gè)函數(shù)（線性關(guān)系），其中p為常數(shù)。

3.2 幾種常見的SOH估算方法

（1）完全放電法

完全放電測試需要對電池進(jìn)行一個(gè)完全的放電循環(huán)，然后測試出放電容量與新電池的標(biāo)稱容量進(jìn)行比較。這個(gè)方法是目前公認(rèn)最可靠的方法，但是這種方法的缺點(diǎn)也很明顯，需要電池離線測試和較長的測試時(shí)間，測試完之后需對電池重新充電。

（2）內(nèi)阻法

通過建立內(nèi)阻與SOH之間的關(guān)系來進(jìn)行SOH估算，大量研究表明電池內(nèi)阻和SOH之前存在一定的對應(yīng)關(guān)系。隨著電池使用時(shí)間的增長，電池的內(nèi)阻會(huì)隨之增加，電池的可用電量同時(shí)會(huì)不斷減少，通過這點(diǎn)來進(jìn)行SOH估算。

這種方法也有缺點(diǎn)：大量研究表明，當(dāng)電池容量下降到原來的70%—80%時(shí)電池的歐姆內(nèi)阻才會(huì)發(fā)生顯著變化，這與一般規(guī)定的80%可能有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｍ瑫r(shí)電池的內(nèi)阻本來就是毫歐級(jí)別的數(shù)值，它的在線準(zhǔn)確測量也是一個(gè)難點(diǎn)。

（3） 電化學(xué)阻抗法

這是一種較復(fù)雜的方法，通過對電池施加多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，然后根據(jù)模糊理論對已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲得此電池的特性，預(yù)測當(dāng)前電池的性能。使用這種方法需要大量阻抗及阻抗譜相關(guān)理論，且需要較為昂貴的器材，故暫不推薦。

4.電池內(nèi)阻R

電池的內(nèi)阻很小，我們一般用毫歐（mΩ）的單位來定義它。內(nèi)阻是衡量電池性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。正常情況下，內(nèi)阻小的電池的大電流放電能力強(qiáng)，內(nèi)阻大的電池放電能力弱。

電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（RΩ）和電化學(xué)極化內(nèi)阻（Re）。對于鋰離子電池來說，電池的歐姆內(nèi)阻（RΩ），主要有鋰離子通過電解質(zhì)時(shí)受到阻力所形成的電阻、隔膜電阻、電解質(zhì)-電極界面的電阻和集電體（銅鋁箔、電極）電阻等；電化學(xué)極化內(nèi)阻（Re）包括鋰離子嵌入、脫嵌和離子擴(kuò)散轉(zhuǎn)移過程中的極化電阻、濃差極化電阻等。

歐姆內(nèi)阻（RΩ）服從歐姆定律，電化學(xué)極化內(nèi)阻（Re）不服從歐姆定律。不同類型的電池內(nèi)阻不同。相同類型的電池，由于內(nèi)部化學(xué)特性的不一致，內(nèi)阻也不一樣。另外，無論是RΩ還是Re都會(huì)隨著電池使用條件的不同而變化（隨SOC、SOH、溫度等變化）。

目前對電池內(nèi)阻的測量主要有直流測試法與交流測試法兩種，分別對應(yīng)測得電池的交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻很小,測直流內(nèi)阻時(shí)由于電極容量極化,產(chǎn)生極化內(nèi)阻,故無法測出其真實(shí)值；而測交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實(shí)的內(nèi)值（主要為歐姆內(nèi)阻）。

直流放電內(nèi)阻測量法：根據(jù)物理公式R=ΔV/ΔI，測試設(shè)備讓電池在短時(shí)間內(nèi)通過一個(gè)較大的恒定直流電流（目前一般使用40A-80A的大電流），測量此時(shí)電池兩端的電壓變化，并按公式計(jì)算出當(dāng)前的電池內(nèi)阻。

此法控制得當(dāng)精確度可以控制在0.1%以內(nèi)，但也有明顯的不足：（1）只能測量大容量電池，小容量電池?zé)o法負(fù)荷如此大電流； （2）當(dāng)電池通過大電流時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻。故測量時(shí)間必須很短，否則測出的內(nèi)阻值誤差很大。

交流內(nèi)阻測試方法：一般使用專門的測試儀器，其方法原理如下：利用電池等效于一個(gè)有源電阻的特點(diǎn)， 給電池施加一個(gè)固定頻率和固定電流大小的交流信號(hào)（目前一般使用1kHz頻率、50mA小電流），然后對其電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。

交流內(nèi)阻測試法有如下特點(diǎn)：（1）可以測量幾乎所有的電池，包括小容量電池，且對電池本身不會(huì)有太大損壞；（2）精度可能受紋波/諧波電流干擾，對測量儀器電路的抗干擾能力要求高；（3）無法實(shí)時(shí)在線測量。

5.動(dòng)力電池自放電率測試

電池的自放電又稱荷電保持能力，它是指在開路狀態(tài)下，電池存儲(chǔ)的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力（或內(nèi)部的自發(fā)反應(yīng)而引起的化學(xué)能損失）。一般來說，自放電主要受電池制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件的影響。

自放電=[（初始容量—擱置后容量）／（初始容量×擱置時(shí)間）]×100%

通常電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過低或過高均有可能造成電池?fù)p壞無法使用。一般地說，常規(guī)電池要求儲(chǔ)存溫度范圍為－20～45℃。電池充滿電開路放置一段時(shí)間后，一定程度的自放電屬于正?，F(xiàn)象。鋰離子電池的自放電率相對于其他類型電池來說還是微不足道的，且引起的容量損失大部分都可以恢復(fù)，這是由鋰電池結(jié)構(gòu)所決定的。但是在不適宜的環(huán)境溫度下，鋰電池的自放電率還是很驚人的，這會(huì)對電池的使用壽命產(chǎn)生很大影響。同時(shí)，單體電池自放電的不一致性是影響電池組一致性的重要因素，自放電差別大，使用過程中電池的不一致性會(huì)較快體現(xiàn)出來。

6.溫度特性

動(dòng)力電池的容量、充放電內(nèi)阻與開路電壓都受溫度的影響。

（1） 環(huán)境溫度對磷酸鐵鋰電池容量的影響很大，低溫時(shí)容量迅速衰減，在一定范圍內(nèi)溫度升高時(shí)容量迅速增大，但其變化速率小于低溫時(shí)，超出某一范圍后容量又隨溫度升高出現(xiàn)衰減。

（2） 環(huán)境溫度對電池歐姆內(nèi)阻和總內(nèi)阻的影響很明顯，一般地，溫度越低內(nèi)阻越大，歐姆內(nèi)阻比極化內(nèi)阻對溫度更敏感，歐姆內(nèi)阻的變化對低溫更敏感。

（3） 電池的SOC-OCV曲線在不同溫度下的差異較小，溫度越低，SOC-OCV曲線越低。且低溫下曲線的偏離速度更大。