河北御捷車(chē)業(yè)有限公司 嚴(yán)永利

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心 季傳龍

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動(dòng)力鋰電池 B M S 中 S O C 的計(jì)算方法

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動(dòng)力鋰電池組中的 BMS 需要準(zhǔn)確的計(jì)算 SOC 值，并發(fā)送給車(chē)輛中的其他 ECU，以保證車(chē)輛在各種工況下運(yùn)行時(shí)，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(chē)的行駛安全。鋰電池組中 SOC 的計(jì)算方法，一直在發(fā)展進(jìn)步，本文從現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了現(xiàn)階段 BMS 對(duì)于鋰電池組 SOC值的幾種計(jì)算方法，并深入研究了 SOC 值計(jì)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(guò)檢測(cè)電池的某些參數(shù)，計(jì)算或者估計(jì)出電池的電量狀態(tài)，然后將電量報(bào)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(chǔ)存電量百分?jǐn)?shù)。電池的實(shí)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(bào)告的意義在于規(guī)劃用電，防止使用過(guò)程中意外斷電或者過(guò)充過(guò)放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。

要報(bào)告電量，就要有檢測(cè)、計(jì)算或者估算電量的方法。電池電量如果不實(shí)際放電，則不是一個(gè)可以直接測(cè)量的量，必須通過(guò)電池的電壓、電流、溫度等測(cè)量值，以及電池 BMS 之外測(cè)得的內(nèi)阻、容量等參數(shù)來(lái)進(jìn)行間接估算。電量估算是一個(gè)世界難題，因?yàn)榧词雇耆粯拥臏y(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)之下，SOC 可能的真實(shí)值，就是 SOC 估算誤差的來(lái)源。

當(dāng)然，直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) SOC 測(cè)試的方式，是按標(biāo)準(zhǔn)放電方法將電池放電到低壓保護(hù)截止電壓，測(cè)試機(jī)給出的放電量就是該測(cè)試條件下的標(biāo)準(zhǔn)電量。這種方法雖然得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) SOC值，但電池也放完電了，不可能用于車(chē)輛實(shí)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(kāi)路電壓法，將電池靜置足夠長(zhǎng)的時(shí)間，由于電池內(nèi)部完全達(dá)到了平衡，那么端電壓就等于電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)，這與 SOC 有比較準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是這種方法是無(wú)法用于車(chē)輛實(shí)時(shí)估算 SOC 的，因?yàn)槭褂眠^(guò)程中無(wú)法留出足夠的時(shí)間來(lái)靜置電池。即使用于校準(zhǔn) SOC，也不能保證需要的時(shí)候就有足夠的靜置時(shí)間。所以，在實(shí)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(kāi)路電壓法比起來(lái)，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(huì)在同樣的范圍內(nèi)，因而是一種可重復(fù)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(gè)難點(diǎn)是電壓測(cè)試的精度，對(duì)于磷酸鐵鋰來(lái)說(shuō)，在平臺(tái)區(qū)內(nèi)，電壓測(cè)試誤差5mV，代表 SOC 變化，對(duì)于 SOC 估算來(lái)說(shuō)已經(jīng)太大了。提高電壓的測(cè)試精度，或者提高電壓的分辨率，能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。將電壓軸拉伸 10 倍，則電壓變化的細(xì)節(jié)分辨就提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)拉伸通過(guò)一個(gè)差分放大器就能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.2 以安時(shí)積分為基準(zhǔn)的方法

安時(shí)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(gè)未來(lái)參數(shù)，但是已經(jīng)用掉的電量是一個(gè)過(guò)去參數(shù)，可以估算出來(lái)。最簡(jiǎn)單的方法是直接將電流測(cè)試值乘以測(cè)試間隔時(shí)間作為該時(shí)間間隔的電量變化，所有電流測(cè)試間隔的電量求和得到電量變化值，然后用容量減去這個(gè)消耗掉的電量，就得到了剩余的電量絕對(duì)值，但是 SOC一般顯示一個(gè)百分?jǐn)?shù)，就用剩余電量絕對(duì)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(cè)試值比真實(shí)值小，那么估計(jì)的電量變化會(huì)比真實(shí)值小，這就形成了一個(gè)剪刀差。出現(xiàn)的極端情況是 100%和 0%狀態(tài)倒置，就是當(dāng)充電充滿的時(shí)候，BMS 給出的SOC 是 0%，有的是 8%。當(dāng)然這種方法還沒(méi)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(diǎn)大。而且這種方法必須要預(yù)先給定一個(gè)電池組的容量 Cn，這個(gè)給出的容量是有誤差的，因?yàn)閺S家在出廠時(shí)并沒(méi)有精確地測(cè)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(gè)變化 BMS 是無(wú)法定量精準(zhǔn)判定的，這里又帶入了一個(gè)誤差，單體的容量與整組電池的容量變化不同，又引進(jìn)一個(gè)誤差。所有的這些誤差累加起來(lái)，很容易超過(guò) 20%，在電池組狀態(tài)比較差的情況下，SOC 還顯示 40%。

為了改進(jìn)算法本身的精度，改良的安時(shí)積分法被開(kāi)發(fā)和提出。線性法就是其中之一，線性法不把兩個(gè)電流測(cè)試間隔的電量變化簡(jiǎn)單地計(jì)算為電流乘以時(shí)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(gè)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(shí)法的一項(xiàng)誤差來(lái)源，這是一種進(jìn)步。但是安時(shí)法不只有這么一個(gè)誤差來(lái)源，因此，這種方法在實(shí)際使用中還是存在比較大的問(wèn)題。

2.3 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法，把電池充放電的運(yùn)行過(guò)程看作是一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，狀態(tài)有 n 個(gè)狀態(tài)參數(shù)來(lái)確定。這里考慮了更多的參數(shù)，這種方法還考慮過(guò)程激勵(lì)噪聲和觀測(cè)噪聲，分別用方差來(lái)表示。然后以當(dāng)前狀態(tài)預(yù)估下一個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)值，再以下一個(gè)狀態(tài)的實(shí)測(cè)值來(lái)驗(yàn)證。這樣一個(gè)預(yù)估校正過(guò)程，能夠消除更多的誤差。但是單體的離散等依然無(wú)法解決。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是將測(cè)量值和計(jì)算值通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)應(yīng)電池的 SOC狀態(tài)，需要大量的自學(xué)習(xí)和調(diào)整，目前還并沒(méi)有成熟到實(shí)用的程度。

3 結(jié)論

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

[1]王芳,夏軍等．電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)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(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程[S]．2015．

嚴(yán)永利（1981—），男，陜西西安人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于河北御捷車(chē)業(yè)有限公司，主要研究方向：電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)功率匹配設(shè)計(jì)、電動(dòng)汽車(chē)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(jì)、鋰電池系統(tǒng)等。

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

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

劉海艷 （身份證號(hào)：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(hào)：370725198710100010），現(xiàn)供職于浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司。

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

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

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