鉅大LARGE | 點擊量：238次 | 2024年07月24日
分解車載電池管理系統SOC，面對什么挑戰？
作為新能源行業分解范疇的專業人士，接下來的日子將隨著自己對新能源動力鋰離子電池范疇的深入分解，將一些電動汽車技術范疇的基礎知識分享給大家，真正了解行業本質技術。此次選擇動力鋰離子電池管理系統的SOC分解，一方面是因為SOC是bMS的核心，bMS是動力鋰離子電池的核心，動力鋰離子電池是新能源汽車的核心，SOC對新能源汽車至關緊要;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，也學習的深入。
SOC是當前動力鋰離子電池剩余電量/容量的簡稱，汽車通過SOC，了解目前的電量狀態，通過SOC，我們把綜合影響因素說開去，形成一個宏觀系統的概念。
一：現狀分解
倘若沒有準確的SOC，會出現的情況：
1、過充/過放情況，導致縮短電池壽命，趴窩等;
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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、為了戒備趴窩，設置過多冗余電量，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筆直反應的是當下的電量狀態，還能行駛多遠的距離，確保能順利抵達目的地;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數值變得非常緊要，其算法也是相關公司的核心競爭力之一。
接下來我們將討論SOC算法的現狀、深入分解其影響因素和實際問題討論。
二：算法現狀
目前SOC主流估算辦法有放電法、安時積分法、開路電壓法、神經網絡法、卡爾曼濾波法。
■放電法即是將電池作放電試驗，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，無法單純以放電結果作為電量預估標準。
■安時積分法是通過初始與工況狀態下電流和時間積分的和來計算當前電量，當前SOC精度緊要依靠初始和瞬時電流的精度，但是隨著時間延長，誤差累計嚴重，且無法單獨修正。
■開路電壓法是依據不同材料體系、工藝的電池其靜止開路電壓與SOC的對應關系來計算。
但是準確的開路電壓要一段時間靜置恢復，因為充電和放電過程會讓電池內部化學反應繼續一段時間，延長部分極化狀態，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下受到行車干擾而不準確。故工況狀態下測得的開路電壓只能作為參考，并不是真切開路電壓。
■神經網絡法由局部電壓、電流、溫度、內阻等各種瞬時數據形成輸入層，自動歸納規矩成隱層，再通過系統模型的輸出層收斂和優化形成瞬時SOC。各層信息互不通信、并無聯系，但目前達到商業標準的收斂、優化、建模技術還沒有實際處理，成本高，穩定性差特點，技術還在研究階段。
■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字濾波算法，用于最優估算動態系統狀態。優勢是對的初始誤差有很強的修正用途，缺點是要較強的數據解決能力，準確度由電池模型決定。目前研究熱度很大。
總結來說，神經網絡法太難，卡爾曼濾波法研究非常多，但并不了解實際技術運行數據，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。目前主流的辦法是安時積分加開路電壓法結合，踐行起來較為容易，惠州億能、科列和CATL等的乘用車誤差基本可以實今朝5%以內。
安時積分法和開路電壓法影響因素影響因素也非常多，這些因素的分解對我們深入了解電池特性非常有必要，也能通過分解不斷提高和改進SOC精確度的發展方向。
三、影響因素
SOC的準確性與動力鋰離子電池密切相關，即使用安時積分和開路電壓計算，但也要其他影響因素的修正系數。開路電壓、瞬時電流、充放電倍率、環境溫度、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，共同決定和影響SOC狀態，下面我們將一一分解。
■開路電壓是指電池未接負載兩端的電壓值。由于開路電壓穩定值與SOC的大小存在曲線對應關系，特定的電池批次產品能通過擬合開路電壓與SOC的數值關系，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，介電常數提高，歐姆內阻降低，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。
(配圖以磷酸鐵鋰試驗數據為參考)
內阻越低，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，電化學反應速度趕不上充電電荷傳遞速度，形成極化電勢，使充電過程中和結束后一段時間開路電壓高于穩定值。倍率越大極化越大，瞬時電壓與真切電壓誤差越大。(這也是為甚么大電流充電電量不經用的原由高倍率充電狀態的電壓值短時間偏大導致SOC值偏大，此時SOC值倘若未計入高倍率充電誤差系數將會失真嚴重)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，兩者情況共同用途，使總開路電壓降低。倍率越高越分明，瞬時放電相反。
■溫度越高，內阻越低，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，二是自放電導致電量降低。當時間足夠長，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、循環次數等有關。
■SOC初值筆直影響通過安時積分法和OCV辦法計算的瞬時SOC，一般在電池均衡后標定準確，其影響因素與SOC的同樣。
■DOD放電深度不同，穩定開路電壓值也不同，倘若過度充放電會造成電池不可逆的容量損失，過度充放會筆直降低電池整體容量。
■內阻方面分交流內阻和直流內阻。功率和容量因素緊要是直流內阻影響。直流內阻分為歐姆內阻和極化內阻。歐姆內阻由電極材料、電解液、隔膜等影響;極化內阻分為歐姆極化、活化極化、濃差極化，極化內阻同材料、工藝和工作條件密切相關。
簡單歸納下內阻特性如下：
■材料特性方面，正極的電壓斜率大如三元的三相變，電壓好標定，斜率小如磷酸鐵鋰的兩相變化，電壓不好標定;電解液的溫度特性、電壓特性，溫度、電壓窗口越大，電解液越穩定，循環效率越大，容量損失越小;隔膜的浸潤性、孔隙率、厚度、電阻等。
■工藝一方面比較緊要的是散熱工藝、電解液體系、壓實密度等筆直影響材料特性和環境溫度，另一方面工藝也筆直影響電池的一致性，一致性越好，SOC的標定也越準確。
(部分是穩定狀態，部分是工作狀態)
總體來說SOC的影響因素如上，這些因素是非線性互相影響，精確標定SOC非常困難。精確標定的SOC能提高電池使用壽命，提高輸出功率，提高經濟性和降低維護成本。除此之外，精確標定SOC的基礎也能對電池安全有幫助。
四、電池安全
新能源汽車在發展過程中，安全性是第一位的，沒有安全，環保和經濟性都是沒有意義的。其中，bMS緊要負責電池的保護、監測、信息傳輸，其中保護是依據監測來判斷，監測有電池的外部特性如電壓、電流、溫度等信息。SOC是根據這些監測的外部特性信息計算出來的傳輸信息。SOC告知車主當前電量的同時，也讓汽車了解自身電量，戒備過充過放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統底層內部都是經過復雜的算法計算，保證汽車安全繼續穩定運行，提高安全性。
■過充過放
過充是指電池達到滿充狀態后還持續充電。判斷滿充狀態與否，是依據電池安全性和保證電池繼續可逆循環容量來決定的電池充電最大值。倘若滿充之后持續充電，將會導致正極鋰離子過度脫出，晶體結構坍塌;溫度上升，正極材料不可逆分析，減少正極材料活性容量，新增電解液副反應，釋放氧氣和熱量。
負極可能析出鋰枝晶，穿刺隔膜導致內部短路;溫度升高使SEI膜溶解脫落，降低循環壽命，加大潛在歐姆內阻。
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，續航能力和爬坡性能降低;重則導致起火燃燒，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，驅動電機控制器、電機運轉、冷熱空調、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，所以要成組串并聯，串聯提高電壓，新增輸出功率，并聯提高容量，提高續航里程。
但是單個電芯不一致導致輸出功率嚴重降低，續航里程下降，繼而導致過充過放等現象的發生。此時要對電池進行均衡，雖然目前國內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。
目前主流的均衡指標有電池實際容量、電池端電壓和電池荷電狀態三種。
▲電池實際容量均衡是讓電池實際容量趨于一致為目的，其方法是將洋溢狀態的電池包持續小電流充電，即用過充方法直到正負極板上出現氣泡，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，充電時內阻大的電壓端電壓大，要對其放電均衡，內阻小的端電壓小，要對其充電均衡;而在放電時候情況完全相反，內阻大的端電壓小，要對其充電均衡，內阻小的端電壓大，要對其放電均衡。這樣整個充放電均衡過程非常雜亂，效果并不理想。
▲電池荷電狀態均衡是將電池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，要怎么樣精確估算SOC是關鍵。
■提高續航里程
精確SOC能便能放心減少額外冗余，提高電池可使用容量，新增續航里程。
五、總結
在新能源汽車蓬勃發展的今天，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壽命，經濟效響應功能效應顯著。處理安全問題，行業才能長久發展，掌握核心能力，公司才有可能成為行業獨角獸。
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