车载电池管理系统SOC现状分析与挑战

  作为新能源行业分析领域的专业技术人员，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。

  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、环境和温度、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，彼此也受不一样的材料、不同工艺等的影响，所以精确估计SOC数值变得很重要，其算法也是相关企业的核心竞争力之一。

  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，当前SOC精度主要依赖初始 和瞬时电流的精度，但是跟着时间延长，误差累计严重，且无法单独修正。

  ■开路电压法是根据不一样的材料体系、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里面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R.E.Kalman 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能实现在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，这一些因素的分析对我们深入了解电池特性非常有必要，也能通过一系列分析逐步的提升和改进SOC精确度的发展方向。

  SOC的准确性与动力电池紧密关联，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、环境和温度、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你我相关，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。温度上升，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。

  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，相对能大大的提升电池的容量和输出功率。实际SOC因温度上升变高，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。