动力电池管理系统之SOC核心技术分析

动力电池管理系统之SOC核心技术分析BMS:Batterymanagementsystems- 电池管理系统SOC:State of charge- 当前剩余电量 / 容量DOD:Depth of discharge-放电深度前言：伴随如火如荼的新能源汽车和充电桩市场，政策接二连三，新能源行业已然成为国家战略。但身在投资领域的投资人，认清市场前景的同时，必须沉下心来学习技术领域，把握新能源行业核心本质，找寻行业独角兽潜质的高科技企业，伴随企业和行业共同成长。作为新能源行业分析领域的专业人士，接下来的日子将随着自己对新能源动力电池领域的深入分析，将一些电动汽车技术领域的基础知识分享给大家，真正了解行业本质技术。此次选择动力电池管理系统的SOC分析，一方面是因为 SOC是 BMS的核心， BMS是动力电池的核心，动力电池是新能源汽车的核心， SOC对新能源汽车至关重要；另一方面是因为新能源汽车整体太庞大，很难说深，说小说深较好把控，也学习的深入。 SOC是当前动力电池剩余电量/ 容量的简称，汽车通过 SOC，知道目前的电量状态，通过 SOC，我们把综合影响因素说开去，形成一个宏观系统的概念。一：现状分析如果没有准确的 SOC，会出现的情况：1、过充 / 过放情况，导致缩短电池寿命，趴窝等；2、均衡的一致性效果不理想，降低输出功率，动力性能降低；3、为了避免趴窝，设置过多冗余电量，减少整体能量输出；所以 SOC的精确估算意义重大，对车主而言，SOC直接反应的是当下的电量状态，还能行驶多远的距离，确保能顺利抵达目的地；对电池本身而言，SOC的精确估计背后涉及开路电压、瞬时电流、充放电倍率、环境温度、电池温度、停放时间、自放电率、库伦效率、电阻特性、SOC初值、 DOD等的非线性影响，而且这些外在特性彼此影响，彼此也受不同材料、不同工艺等的影响，所以精确估计SOC数值变得非常重要，其算法也是相关企业的核心竞争力之一。接下来我们将讨论SOC算法的现状、深入分析其影响因素和实际问题讨论。二：算法现状目前 SOC主流估算方法有放电法、安时积分法、开路电压法、神经网络法、卡尔曼滤波法。放电法即是将电池作放电实验，以放出电量的多少为电池容量，但实际行车情况剩余电量是用来行驶的，无法单纯以放电结果作为电量预估标准。安时积分法是通过初始 与工况状态下电流和时间积分的和来计算当前电量，其公式为：当前 SOC精度主要依赖初始 和瞬时电流的精度，但是随着时间延长，误差累计严重，且无法单独修正。开路电压法是根据不同材料体系、工艺的电池其静止开路电压与 SOC的对应关系来计算。但是准确的开路电压需要一段时间静置恢复，因为充电和放电过程会让电池内部化学反应持续一段时间，延长部分极化状态，形成极化电势，提高和降低瞬时开路电压，使单纯的开路电压在实际工况状态下受到行车干扰而不准确。故工况状态下测得的开路电压只能作为参考，并不是真实开路电压。神经网络法由局部电压、电流、温度、内阻等各种瞬时数据形成输入层，自动归纳规则成隐层，再通过系统模型的输出层收敛和优化形成瞬时SOC。各层信息互不通信、并无联系，但目前达到商业标准的收敛、优化、建模技术还没有实际解决，成本高，稳定性差特点，技术还在研究阶段。卡尔曼滤波法是匈牙利的在 1960 年提出的基于最小均方差的数字滤波算法，用于最优估算动态系统状态。优点是对 的初始误差有很强的修正作用，缺点是需要较强的数据处理能力，准确度由电池模型决定。目前研究热度很大。总结来说，神经网络法太难，卡尔曼滤波法研究非常多，但并不知道实际技术运行数据，放电法无法实际运用，安时积分和开路电压法单独使用误差很大。目前主流的方法是安时积分加开路电压法结合，实践起来较为容易，惠州亿能、科列和 CATL等的乘用车误差基本可以实现在 5%以内。安时积分法和开路电压法影响因素影响因素也非常多，这些因素的分析对我们深入了解电池特性非常有必要，也能通过分析不断提高和改进 SOC精确度的发展方向。三、影响因素SOC的准确性与动力电池密切相关，即使用安时积分和开路电压计算，但也需要其他影响因素的修正系数。开路电压、瞬时电流、充放电倍率、环境温度、电池温度、停放时间、自放电率、库伦效率、电阻特性、SOC初值、 DOD以及材料特性和工艺等因素彼此相关，共同决定和影响SOC状态，下面我们将一一分析。开路电压是指电池未接负载两端的电压值。由于开路电压稳定值与SOC的大小存在曲线对应关系，特定的电池批次产品能通过拟合开路电压与SOC的数值关系，通过电压来判定 SOC值，但实际运行过程中：温度越高，开路电压越高。温度升高，电解液粘度越低，介电常数提高，欧姆内阻降低，电压升高；电极活性材料利用率越高，活化极化降低，锂离子迁移阻力降低，电压升高，同时容量和放电功率提高。温度降低情况相反。（配图以磷酸铁锂实验数据为参考）内阻越低，开路电压越高。充电使开路电压变高，因为受到电极极化影响，电化学反应速度赶不上充电电荷传递速度，形成极化电势，使充电过程中和结束后一段时间开路电压高于稳定值。倍率越大极化越大，瞬时电压与真实电压误差越大。（这也是为何大电流充电电量不经用的原因高倍率充电状态的电压值短时间偏大导致 SOC值偏大，此时 SOC值如果未计入高倍率充电误差系数将会失真严重）放电情况相反。瞬时放电电流高，电子迁移出去但正价锂离子还未迁移出去，使负极电势提高，正极得到电子但正价锂离子还未嵌入，使正极电势降低，两者情况共同作用，使总开路电压降低。倍率越高越明显，瞬时放电相反。温度越高，内阻越低，电解液离子迁移速度越快，电极活性提高，相对可以提高电池的容量和输出功率。实际SOC因温度升高变高，温度降低而变低。停放时间一是因为极化电势的衰减，二是自放电导致电量降低。当时间足够长，与自放电率的乘积便是电量修正减值。库伦效率是放出电量与充电电量的比值，更好的库伦效率，电池稳定性越好，容量折损越少，使用寿命越长。库伦效率与温度、倍率放电、放电深度 DOD、循环次数等有关。SOC初值直接影响通过安时积分法和OCV方法计算的瞬时 SOC，一般在电池均衡后标定准确，其影响因素与SOC的同样。DOD放电深度不同，稳定开路电压值也不同，如果过度充放电会造成电池不可逆的容量损失，过度充放会直接降低电池整体容量。内阻方面分交流内阻和直流内阻。功率和容量因素主要是直流内阻影响。直流内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜等影响；极化内阻分为欧姆极化、活化极化、浓差极化，极化内阻同材料、工艺和工作条件密切相关。简单归纳下内阻特性如下：材料特性方面，正极的电压斜率大如三元的三相变，电压好标定，斜率小如磷酸铁锂的两相变化，电压不好标定；电解液的温度特性、电压特性，温度、电压窗口越大，电解液越稳定，循环效率越大，容量损失越小；隔膜的浸润性、孔隙率、厚度、电阻等。工艺一方面比较重要的是散热工艺、电解液体系、压实密度等直接影响材料特性和环境温度，另一方面工艺也直接影响电池的一致性，一致性越好， SOC的标定也越准确。（部分是稳定状态，部分是工作状态）总体来说 SOC的影响因素如上，这些因素是非线性互相影响，精确标定 SOC非常困难。精确标定的 SOC能提高电池使用寿命，提高输出功率，提高经济性和降低维护成本。除此之外，精确标定 SOC的基础也能对电池安全有帮助。四、电池安全新能源汽车在发展过程中，安全性是第一位的，没有安全，环保和经济性都是没有意义的。其中， BMS主要负责电池的保护、监测、信息传输，其中保护是根据监测来判断，监测有电池的外部特性如电压、电流、温度等信息。SOC是依据这些监测的外部特性信息计算出来的传输信息。 SOC告知车主当前电量的同时，也让汽车了解自身电量，防止过充过放，提高均衡一致性，提高输出功率减少额外冗余。系统底层内部都是经过复杂的算法计算，保证汽车安全持续稳定运行，提高安全性。过充过放过充是指电池达到满充状态后还继续充电。判断满充状态与否，是根据电池安全性和保证电池持续可逆循环容量来决定的电池充电最大值。如果满充之后继续充电，将会导致正极锂离子过度脱出，晶体结构坍塌；温度上升，正极材料不可逆分解，减少正极材料活性容量，增加电解液副反应，释放氧气和热量。负极可能析出锂枝晶，穿刺隔膜导致内部短路；温度升高使 SEI 膜溶解脱落，降低循环寿命，加大潜在欧姆内阻。过充过放正常情况下会降低电池寿命，造成不可逆容量损失，减少输出功率，续航能力和爬坡性能降低；重则导致起火燃烧，很多事故就是过充过放引起的。均衡一致性新能源汽车的部分或全部能源来自电能，驱动电机控制器、电机运转、冷热空调、仪器仪表等等。电池由单电池电芯形成模组形成电池箱，单个电芯电压容量低，所以需要成组串并联，串联提高电压，增加输出功率，并联提高容量，提高续航里程。但是单个电芯不一致导致输出功率严重降低，续航里程下降，继而导致过充过放等现象的发生。此时需要对电池进行均衡，虽然目前国内流行主动均衡和被动均衡，但接下来不讨论两者差别，而讨论目前的均衡指标。目前主流的均衡指标有电池实际容量、电池端电压和电池荷电状态三种。电池实际容量均衡是让电池实际容量趋于一致为目的，其办法是将充满状态的电池组继续小电流充电，即用过充办法直到正负极板上出现气泡，消除小容量对整体电池性能的影响，但是过充影响电池寿命，不安全。电池端电压均衡是将端电压趋于一致为目的。但实际情况下，充电时内阻大的电压端电压大，需要对其放电均衡，内阻小的端电压小，需要对其充电均衡；而在放电时候情况完全相反，内阻大的端电压小，需要对其充电均衡，内阻小的端电压大，需要对其放电均衡。这样整个充放电均衡过程非常混乱，效果并不理想。电池荷电状态均衡是将电池 SOC值一致为目的，提高功率输出，保证安全性。但是难点也在 SOC不确定影响因素太多，如何精确估算 SOC是关键。提高续航里程精确 SOC能便能放心减少额外冗余，提高电池可使用容量，增加续航里程。五、总结在新能源汽车蓬勃发展的今天，安全问题是第一问题。SOC是 BMS的核心之一，保证电池安全，提高动力性能和循环寿命，经济效应和功能效应显著。解决安全问题，行业才能长久发展，掌握核心能力，企业才有可能成为行业独角兽。