新型BMS、SOH、SOC電池容量計(jì)算系統(tǒng)

艾貽霞

摘要：電池容量SOH和運(yùn)行效率決定了車輛的行駛里程，電池的剩余容量SOC決定了車輛還能行駛的距離，電池的質(zhì)量決定了電池的使用時(shí)間。使用時(shí)不過充、不過放，電池的使用時(shí)間便可大大延長。由于電池的虛電效應(yīng)和電壓/容量關(guān)系是非線性的，用電壓作為容量指示非常不準(zhǔn)確，無法達(dá)到正確顯示剩余電量SOC的目的，尤其不能正確估算出電池當(dāng)前最大容量SOH。新型SOH、SOC電池容量估算系統(tǒng)能提供智能、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：電池容量;BMS;SOH;SOC

Abstract： The battery capacity SOH and operating efficiency determine the mileage of the vehicle， the remaining capacity SOC of the battery determines the distance that the vehicle can travel， and the quality of the battery determines the battery life. If the battery is not overcharged or discharged， the battery life can be greatly extended. Since the virtual power effect of the battery and the voltage/capacity relationship are non-linear， using voltage as a capacity indicator is very inaccurate and cannot achieve the purpose of correctly displaying the remaining power SOC， especially the current maximum capacity SOH of the battery cannot be correctly estimated. The new SOH and SOC battery capacity estimation system can provide intelligent， accurate and stable battery status data.

0? 引言

本文介紹一種智能、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，只關(guān)注剩余里程，避免過放電對(duì)電池造成傷害，有效延長電池使用壽命。

1? 電池BMS、SOH和電池SOC簡介

電池BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一個(gè)字母簡稱組合，稱之為電池管理系統(tǒng)。俗稱之為電池保姆或電池管家;電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。BMS的工作原理：通過對(duì)與之配套的電流變送器、速度傳感器和其他變送器（溫度、電壓等）輸出電信號(hào)的采集，用一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出SOH、SOC、瞬時(shí)速度、累積里程、續(xù)航、kWh等，并進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存。有的BMS還具有將SOH轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行輸出和進(jìn)行定量控制的功能。

電池SOH是指電池組的最大蓄電能力（Ah），電池SOH相當(dāng)于燃油車加滿油的油箱體積，續(xù)航里程取決于油箱體積的大小。電池SOH的大小代表著蓄電能力、續(xù)航里程的多少，電池組SOH顯示電池組工作性能，車輛續(xù)航狀態(tài)，為保障電池組正常使用，延長電池組使用壽命提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

電池SOH是計(jì)算電池SOC的基礎(chǔ)，沒有準(zhǔn)確的電池SOH，就得不到準(zhǔn)確的電池SOC，準(zhǔn)確計(jì)算電池組SOH是電池檢測的萬物之本。

電池SOC是指電池組的剩余電量（Ah）與電池SOH的百分比。

這相當(dāng)于燃油車油箱還剩多少油。

2? 電池BMS的組成

目前低速電動(dòng)車（包括兩輪、三輪、四輪），由以下幾大部分組成：車架（車身、底盤、車門、車窗、車座、方向盤、儀表臺(tái)等等）;滾動(dòng)傳動(dòng)（車輪、減震、車軸、變速箱、電機(jī)、控制器、剎車等等）;電控（轉(zhuǎn)向燈、大燈、尾燈、內(nèi)燈、線束、報(bào)警、電纜充電器、儀表、多媒體、DC/DC電源等等）;電池。

①“車架”部分決定了駕乘的舒適程度。其外觀、內(nèi)飾、座椅等好壞非常直觀，使用者或購買者通過觀察非常容易看出其質(zhì)量。日常使用中，也很容易看出是否正常。

②“滾動(dòng)傳動(dòng)”部分決定了車輛的運(yùn)行效率和安全。這部分的性能，購買者可以通過試乘、試駕體驗(yàn)出這部分的加速、剎車的潤滑程度。日常使用中，車輛的運(yùn)行順滑程度，剎車的靈敏程度，使用者都可以體驗(yàn)出來，有問題及時(shí)維護(hù)。但運(yùn)行效率不能通過試乘、試駕和日常使用得到相關(guān)數(shù)據(jù)。細(xì)心的人通過經(jīng)驗(yàn)可能估計(jì)出大約運(yùn)行效率，但這只是估計(jì)沒有確切數(shù)值。運(yùn)行效率可以說明車輛目前健康狀況。目前低速電動(dòng)車不具備這個(gè)功能。

③“電控”部分給出車輛的行駛狀態(tài)和內(nèi)部電路連接。購買者和使用者可以通過搬動(dòng)相應(yīng)開關(guān)和剎車踏板檢驗(yàn)各種燈光的好壞，目測檢查電纜的連接情況。

④“電池”部分是純電動(dòng)車輛提供動(dòng)力和能量的唯一來源。電池容量SOH和運(yùn)行效率決定了車輛的行駛里程。電池的剩余容量SOC決定了車輛還能行駛的距離。電池的質(zhì)量決定了電池的使用時(shí)間（壽命）。仔細(xì)合理的使用（例如：不過充、過放）可以大大延長電池的使用壽命。

3? 電池SOH、電池SOC計(jì)算難度

燃油車油箱體積與電池組SOH之間又有不同，燃油車油箱體積出廠以后就固定不變了，而電池組SOH會(huì)隨著時(shí)間、溫度、負(fù)載率、電池組老化等改變是變化，把電池組SOH比同燃油車油箱，油箱不隨時(shí)間而變化，從這點(diǎn)來講，兩者又不完全相同，電池組SOH可以比作是一個(gè)體積隨時(shí)間變化的油箱。

這樣問題就來了，為什么電池組SOH是時(shí)間函數(shù)？可不可以不是時(shí)間的函數(shù)？回答是否定的，為什么？因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室溫度可以保持不變，恒電流可以使負(fù)載率保持不變，但做不到電池組老化保持不變，電池組在使用過程中，不可能保持溫度恒定、電流恒定，使用恒溫、恒流獲得電池SOH也沒有意義。

電池SOH是一個(gè)什么樣的時(shí)間函數(shù)？它與哪些主要因素有關(guān)？電池生產(chǎn)者和使用者都知道，溫度、負(fù)載率、電池老化隨著時(shí)間的變化，春、夏、秋、冬四季溫度變化很大，在地球溫帶，溫差也有至少40℃。受目前電池技術(shù)的局限，電池特性、電池活性、蓄電能力均受溫度影響很大，室外溫度30℃和-10℃的電池SOH可以相差將近1倍，室外溫度30℃時(shí)100Ah的電池SOH可能是120多Ah，-10℃時(shí)的電池SOH只有60多Ah。負(fù)載率變化對(duì)電池組SOH也有影響，負(fù)載率越大電池SOH越小，負(fù)載率越小電池SOH越大。電池組如果安裝在電動(dòng)車上，電動(dòng)踏板變化快慢、載人多少、載貨多少、車速快慢、上坡、下坡、逆風(fēng)、順風(fēng)等因素，都會(huì)產(chǎn)生不同的負(fù)載率。電池組使用一段時(shí)間，電池組會(huì)老化、容量衰減，都會(huì)增加電池SOH計(jì)算帶來的不確定度。電池組老化沒有統(tǒng)一的規(guī)律，各個(gè)電池組老化不盡相同，與電池組的使用者有很大關(guān)系，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用的電池組老化衰減慢一些，不按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用的電池組老化衰減快一些，經(jīng)常使用的電池組老化衰減慢一些，長期放置不用的電池組老化衰減快一些。因此電池組SOH是一個(gè)多變量，老化衰減函數(shù)無法用物理手段獲得，計(jì)算非常困難。

4? 目前國內(nèi)外電池SOH、電池SOC的現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外使用的電池SOH主要計(jì)算方法，有庫倫計(jì)數(shù)法+OCV（開路電壓），就是對(duì)放電、充電電流進(jìn)行精確累加，再用開路電壓進(jìn)行修正和溫度補(bǔ)償+衰減修正。還有卡爾曼濾波算法等。這些算法都需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，有溫度曲線補(bǔ)償變量、電流變量、衰減模型變量等，通過對(duì)各個(gè)變量在線測量，獲得數(shù)值帶入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。例如溫度變量，做溫度對(duì)電池影響曲線函數(shù)，需要將溫度細(xì)分成很多點(diǎn)，逐一做出全量程電池SOH曲線，耗費(fèi)了大量人力、物力和時(shí)間，只做出了溫度一元函數(shù)關(guān)系，而且還是離散的，沒有考慮到負(fù)載率、老化衰減等其他變量的影響。由于電池組的差異，一組被實(shí)驗(yàn)電池組得出的溫度-電池SOH關(guān)系曲線，與其他電池組的溫度-電池SOH關(guān)系曲線不完全一致，只能近似代替其他電池組曲線，近似同類、同種、同型號(hào)電池，當(dāng)更換電池型號(hào)時(shí)必須進(jìn)行重新測試，使用起來非常復(fù)雜，測量不確定度很大。溫度曲線是間斷、不連續(xù)、近似的，與負(fù)載率、電池老化的關(guān)系是近似值，得到的電池SOH不可靠，穩(wěn)定性、重復(fù)性、動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性都比較差，有關(guān)電池SOH的相關(guān)文獻(xiàn)很多，請(qǐng)讀者自行查看，這里就不多說了。

5? 介紹一種使用新型數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性、重復(fù)性好，自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)電池SOH計(jì)算系統(tǒng)

這種系統(tǒng)測量電池SOH、電池SOC與目前電池SOH、電池SOC的區(qū)別和先進(jìn)性：

首先新系統(tǒng)在估算電池組SOH時(shí)，不需要繁雜的溫度補(bǔ)償模型，它可以根據(jù)電池組的電流、電壓狀態(tài)，求得電池組在這個(gè)溫度下的內(nèi)在特性。

根據(jù)負(fù)載率變化求得電池組在這個(gè)溫度下內(nèi)在特性，再根據(jù)電池老化衰減，在這個(gè)溫度、負(fù)載率狀態(tài)下的內(nèi)在特性，從而計(jì)算出電池組當(dāng)前的電池SOH和電池SOC。

在電池SOH計(jì)算模型中沒有溫度這個(gè)變量，不需要溫度傳感器測量溫度來補(bǔ)償電池SOH的算法。下面是某組電池一年4季不加溫度變量，獲得的溫度與電池SOH變化曲線（如圖1所示）。

圖中：縱坐標(biāo)是電池SOH（單位Ah）和溫度（單位℃）;橫坐標(biāo)是時(shí)間t。

從圖1可以看出，2017.12～2019.1，某品牌72V32Ah電池組，動(dòng)態(tài)（車載路跑）實(shí)測獲得的冬、春、夏、秋、冬一年四季溫度變化導(dǎo)致電池SOH變化的關(guān)系曲線，溫度變化對(duì)電池組SOH的影響非常明顯，沒有使用溫度傳感器的電池SOH是準(zhǔn)確的，同時(shí)包含了負(fù)載率變化和電池老化的因素。

這種全新電池SOH數(shù)學(xué)模型計(jì)算系統(tǒng)，突破現(xiàn)有電池SOH估算框架思路，具有穩(wěn)定性、重復(fù)性好、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自動(dòng)跟蹤智能檢測功能，經(jīng)過一年多的車載路跑測試，行駛總里程12900多公里，總放電310kWh，證明它能適應(yīng)復(fù)雜路況和各種駕駛習(xí)慣，由于條件限制只在山東地區(qū)實(shí)驗(yàn)，一年四季不同溫度環(huán)境下，能正確計(jì)算出電池組的SOH，為電池SOH計(jì)算增加了一個(gè)新方法，為電動(dòng)車電池SOH檢測，顯示準(zhǔn)確數(shù)據(jù)提供了一套有力工具。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T2900.41-2008/IEC 60050（482）：2003，電工術(shù)語 原電池和蓄電池[S].

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB13337-1-1991，固定型防酸式鉛酸蓄電池技術(shù)條件[S].

[3]GB/T13639-1992，工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用模擬輸入數(shù)字式指示儀表.

[4]GB/T17626-1998，電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)[S].