動(dòng)力電池SOC估算方法及缺陷和影響SOC估算的因素

電池組一致性問(wèn)題是電池組使用期間的最常見(jiàn)問(wèn)題，也是最難以解決的技術(shù)難題，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，非常影響車(chē)輛的實(shí)際充放電電量和汽車(chē)的續(xù)航里程，情況嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生熱失控故障并引發(fā)車(chē)輛自燃，車(chē)載BMS的SOC估算準(zhǔn)確度往往都是建立在電池組一致性良好的情況下，電池組一致性問(wèn)題的存在將徹底擾亂SOC估算準(zhǔn)確性。

只有解決或者降低一致性問(wèn)題的發(fā)生及影響，SOC估算才有實(shí)際意義，本文通過(guò)高效率的主動(dòng)型、實(shí)時(shí)高效電池均衡系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例及數(shù)據(jù)，證明了該技術(shù)對(duì)于提高電池組SOC估算值的作用是明顯、高效的。

SOC估算方法及缺陷

電池組SOC估算的方法有很多種，既有傳統(tǒng)的電流積分法、電池內(nèi)阻法、放電試驗(yàn)法、開(kāi)路電壓法、負(fù)載電壓法，也有較為創(chuàng)新的卡爾曼濾波法、模糊邏輯理論法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，各種估算方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同電池系統(tǒng)。

在BMS中，SOC(StateOfCharge電池荷電狀態(tài))、SOP(StateOfPower電池能源狀態(tài))、SOH(StateofHealth電池健康狀態(tài))都是非常重要的管理指標(biāo)，直接關(guān)系到BMS的管理質(zhì)量和成敗，特別是實(shí)時(shí)SOC值，匹配一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的預(yù)估行駛里程，它是使用者在實(shí)際使用中判斷電池系統(tǒng)狀態(tài)的依據(jù)，直接影響出行計(jì)劃的安排和實(shí)施。

在上述各種估算方法中，都是建立在電池組一致性良好的條件下，均存在一個(gè)嚴(yán)重缺陷，那就是如果電池組發(fā)生了一致性問(wèn)題，特別是一致性問(wèn)題突出的情況下，SOC估算就會(huì)產(chǎn)生非常大的估算誤差，給使用者帶來(lái)誤導(dǎo)甚至引發(fā)事故。

例如，電動(dòng)汽車(chē)出發(fā)前顯示可行駛里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于駕駛者的實(shí)際路程，但行駛途中卻突然急速掉電，甚至突然沒(méi)電，半路拋錨，如果是在高速公路上行駛，非常容易發(fā)生被追尾事件。

影響SOC估算的因素

鋰離子動(dòng)力電池組的實(shí)時(shí)SOC是一個(gè)變量，無(wú)法直接測(cè)量，不能通過(guò)傳感器件直接測(cè)量得到，在工作時(shí)會(huì)受到外部環(huán)境多方面因素的影響。包括溫度、放電電流、放電倍率、內(nèi)阻、自放電率、衰減程度等等。

在上述因素中，影響最大的因素是電池組的衰減程度，衰減程度直接影響和決定了電池組的SOC估算值和可用范圍，衰減程度只是外在表現(xiàn)，實(shí)際是由于一致性問(wèn)題引起的。

電池組的SOC值取決于電池組中容量最小、即衰減程度最嚴(yán)重的單元電池，即類(lèi)似于“木桶原理”中的最短木板，其它電池即使未發(fā)生容量的衰減，超過(guò)衰減電池容量的部分也是無(wú)法得到利用的，不僅影響實(shí)際續(xù)航時(shí)間，還白白浪費(fèi)寶貴的容量。如圖1所示，圖例為衰減后的13串鋰電池組容量分布示意圖。

圖113串衰減鋰電池組容量分布示意圖

通過(guò)示意圖可以看到，衰減后的電池組，7#電池由于衰減最嚴(yán)重，在整個(gè)電池組中的剩余容量最小，因此電池組的SOC值就取決于7#電池，其它電池的衰減程度雖然相對(duì)較小，剩余容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于7#電池，但是由于BMS的存在，需要保護(hù)容量最小的7#電池不發(fā)生過(guò)放電，其它電池的容量即使再多也會(huì)被BMS忽略，不起任何作用。

因此，電池組實(shí)際放電容量的最大值就是7#電池的容量，即電池組的可使用容量的最大值就是圖中的最低容量線(xiàn)的容量。圖中，還有一條平均容量線(xiàn)，它介于最高容量和最小容量之間，近似于所有容量之和的平均值。

由于一致性問(wèn)題的存在，最低容量與平均容量存在較大的差異，一致性問(wèn)題越嚴(yán)重，這個(gè)差異越大，最終將導(dǎo)致可用SOC與平均SOC存在較大差異，這將直接影響電池組的實(shí)際續(xù)航時(shí)間。

SOC估算需要用到電流、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻等參數(shù)，最終轉(zhuǎn)換成實(shí)際SOC值，在一致性問(wèn)題的影響下，不管SOC估算策略如何，受限于BMS在均衡管理功能上的短板，SOC估算值只能無(wú)限接近于組內(nèi)最小容量電池的SOC，低于平均SOC值。

即整組電池中，發(fā)生衰減的一、兩塊電池的SOC值決定了整個(gè)電池組的SOC值，與其它電池的SOC值基本無(wú)關(guān)。電池組的一致性問(wèn)題越嚴(yán)重，SOC估算值就越低，就會(huì)更嚴(yán)重偏離SOC平均值，不僅導(dǎo)致電池組的SOC利用率下降嚴(yán)重，更嚴(yán)重影響實(shí)際電池組的實(shí)際續(xù)航時(shí)間和利用效率。

衰減電池普遍具有內(nèi)阻偏高的特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行充放電操作時(shí)，電壓的波動(dòng)幅度明顯高于正常電池，這一特征，會(huì)嚴(yán)重影響SOC的實(shí)時(shí)估算，甚至?xí)褂?jì)算值嚴(yán)重偏離實(shí)際值，影響用戶(hù)的實(shí)際體驗(yàn)。