一文了解SOC/SOH/均衡等功能

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1 什么是动力电池

动力电池是电动车的重要零部件，动力电池通常采用锂离子电池，因为与其他类型的电池相比较，其单位质量的能量高，高功率密度、高能效和高温下性能稳定等特点。


source: 废旧锂离子电池使用现状及资源化利用 (chinaacme.net)锂离子电池的类型可根据其阴极或正极的化学成分来分类，可分为 镍锰钴（NMC），镍钴铝（NCA）和磷酸铁锂（LFP）等类型。其中，NMC是最主要的动力电池类型，其市场份额约为60%左右，NCA的份额约为 8%左右。它俩性能出色，但成本高，因此多用于高端电动车。而LFP价格低，性能更稳定，因此多用于经济型电动车。对于电动车，不管采用何种类型的动力电池，都需要对动力电池的状态进行控制和估算，比如SOC，SOH和均衡等功能。下面就来详细了解一下：2 SOC
2.1 什么是SOC？
SOC（State of Charge）是电池相对于其容量的电量水平，用百分比表示，它用于确定电池的剩余电量。SOC是动力电池最关键的参数之一，它对预测电池的性能和使用寿命最重要。


source: 锂电池SOC是什么?
2.2 如何估算SOC？
估算SOC有很高的技术含量，会使用到很多种技术方法，包括开路电压法、安时积分和阻抗测量等。

（1）开路电压法
铅酸蓄电池的 SOC 与其开路电压 (OCV) 的关系近似线性，基于电池 OCV 的方法是：当电池与负载断开时间超过两小时时，电池的 OCV 与 SOC 成正比。但锂离子电池与铅酸蓄电池不一样，其 SOC 与OCV 与的关系不成线性 ，其关系可以通过对锂离子电池施加脉冲负载，让其达到平衡来确定，如下图所示：



source: BMS（电池管理系统）第四课 ——核心！！！SOC算法开发
由上图可以看出不同类型的锂离子电池 SOC 与OCV 的关系不相同，所以对于不同的电池需要测量各自OCV-SOC 曲线，以此获得准确的SOC。

（2）库仑计数法

库仑计数法是测量电池容量的理想方法，即通过测量一段时间内流入和流出的电流，进而得到流入或者流出的电量，即：
SOC = 总容量 - （放电电流 - 充电电流）*时间根据电池测量系统的不同，有多种测量放电或充电电流的方法。

电流分流器：用分流器测量电流，电流流经分流器产生电压降，从而可测量到电流信息，这种方法会产生轻微的功率损耗。霍尔效应传感器：通过磁场变化测量电流，相对于电流分流器，它能消除典型的功率损耗问题，但成本高。巨磁电阻传感器：用作磁场检测器，比霍尔效应传感器更灵敏，精度更高，但成本更高。

下图描述了在不同时间测量的放电电流，用来计算一定时间内的总放电电荷量。库仑测量涉及的计算相当复杂，主要由微控制器完成。


source: 一种安时积分估算锂电池SOC方法与流程

库仑计数法也叫安时积分法，可有效量化一段时间内的电量，提供动态、连续的状态更新。安时积分法会因传感器漂移或电池性能变化而随时间累积误差。

（3）基于模型的方法

基于模型的方法，包括电化学阻抗频谱法和等效电路模型，通过模拟电池的电化学反应和电气行为来深入分析SOC，评估电池内阻、容量和其他关键参数，从而全面了解各种运行条件下的 SOC。

另一种常用的基于模型的方法是卡尔曼滤波方法，它通过融合多个传感器的数据来精确估算SOC。不过卡尔曼滤波法同样容易受到传感器漂移、极端温度变化和电池行为变化等外部因素的影响，造成估算有偏差的情况。



source: 基于安时积分和无迹卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估算方法研究

对于SOC估算，工程应用中通常都不是单纯地使用以上的一种方法来处理，而是综合运用上述的多种方法来准确估算SOC。比如使用安时积分数法开路电压法快速获得基本数据，再使用卡尔曼滤波方法是获取更精确的SOC信息。

2.3 SOC的重要性  

防止电池损坏。BMS控制 SOC 在20%-80%范围，可防止电池过度磨损，延长 SOH、容量和运行寿命。

性能最大化。电动车电池在特定的 SOC 范围内运行时可实现最佳性能，包括高效的电力传输和强劲的加速性能。

估算行驶里程。SOC直接影响电动汽车的行驶里程。

优化能效。精确的SOC估算可最大限度地减少能源浪费，同时最大限度地利用再生制动延长行驶里程。

确保充电安全。BMS 利用 SOC 读数来调节电动汽车电池的充电速率，采用涓流充电和受控快速充电等技术来保护电池寿命。

3 SOH
3.1 什么是SOH？电池健康状态(SOH,State of Health) 是评估电池整体健康和性能的关键参数。SOH是指电池的容量或当前状态与其理想状态的比较，确定电池可用或剩余寿命的百分比。电池单体的 SOH下降主要是由电池老化和退化引起的，也就是说，随着电池的使用或储存，电池容量会降低，内阻会增大。


source: http://xuebao.sjtu.edu.cn/CN/Y2022/V56/I4/413
BMS一般通过监测电池内阻、容量衰减和循环次数等参数，长期跟踪电池的健康状况。当电池性能下降超过一定临界值时，它会向用户或系统控制器提供诊断和警报，以便进行主动维护或更换。
3.2 如何估算SOH？（1）阻抗测量法随着电池老化，其内部阻抗也会增加，就像电阻一样。因此可使用阻抗测量来估计电池的健康状况。电池阻抗可通过 EIS 方法进行测量，该方法采用不同频率的交流电，并将阻抗作为频率的函数进行识别。不过EIS 是一种复杂的解决方案，无法满足每个BMS的要求，也可能与电池的运行条件不匹配。因此要测量SOH，必须记录初始阻抗或电导，制造商通常会提供初始阻抗。下面我们来看一个实际的例子：假设阻抗测量值为70mΩ，电池初始状态阻抗是50mΩ。那么阻抗百分比=(当前阻抗/初始阻抗)*100=(70/50)*100=140%。阻抗增加百分比=阻抗百分比-100=140-100=40%。所以阻抗增加了40%。现在我们来计算SOH，假设电池的初始容量为1000mAh，因此：损失的容量=(阻抗百分比/100) x 初始总容量=(40/100)x1000=400mAhSOH=(初始总容量 - 损失容量)/初始总容量= 600mAh/1000mAh=60%

（2）充放电周期估算
锂离子电池的健康状况与其循环寿命之间存在一定的关系。因此计算剩余的充放电循环次数是最简单、最有效的 SOH 估算方法。在这种情况下，电池制造商标称的循环寿命可作为参考点。尽管这种做法很简单，但由于电压和电流等一些重要因素会影响电池的状态，因此很难达到很高的精确度。另外，用于测量电池充电状态SOC的技术同样适用于 SOH 估算，比如：

库仑计数：电池健康状况的下降和额定容量的损失是同时发生的。因此，只要知道电池容量随时间衰减的速度，就能估算出SOH。
卡尔曼滤波法：可以利用各种电池参数，包括对 SOH 估算至关重要的内阻。该算法可以实时跟踪电池的状态，并预测其老化情况。

与 SOC 估算一样，SOH 通常也是通过混合多种测量方法来定义的。这种方法允许BMS从多个不同角度探查电池，并准确地得到其状态。

3.3 SOH的重要性通过了解SOH，制造商和操作人员可以在电池维护和更换方面做出更好的决策，总之准确的SOH仍将是确保电池系统可靠性和使用寿命的关键。

4 电池均衡

通过被动和主动电池均衡，可以使电池单体保持健康的SOC。这不仅能延长电池的循环寿命，还能防止电池单元因深度放电和过度充电而损坏。

4.1 为什么需要电池均衡？
电池组由许多连接在一起的电池单体组成，当电池单体的状态发生变化时，电池组就会失去平衡而无法完全充电或完全放电，这种不平衡也会导致电池加速老化，这降低了电池性能，也将缩短了电池的使用寿命。

电池失衡在制造和工作过程中都可能会出现。在制造过程中，电池组可能由SOC、容量、阻抗或使用年限略有不同的电池组装而成，这意味着组装后的电池组在开始使用时就已经失去平衡，在运行过程中，电池单体的排列以及布局等设计因素也可能导致电池组失去平衡。



source:干货！BMS电池管理系统均衡设计，有效延长电池使用寿命

因此需要通过被动/主动均衡策略，使得电池组中的每个单体得到平衡。

4.2 怎么做电池均衡？
通常又被动均衡和主动均衡两种方法。


source: 带你读懂锂离子电池均衡电路

（1）被动均衡策略

被动均衡策略使用一个电阻器的假负载来释放多余的电压，并使其与其他电池平衡，这些电阻被称为旁路电阻，电池组中串联的每个电池都有自己的旁路电阻，通过开关连接，如下图所示。



source: Battery pack cell balancing methods

上图显示了四个电池单体，每个电池单体通过一个MOSFET 开关与两个旁路电阻相连，控制器测量所有四个电池单体的电压，并打开电压高于其他电池单体的 MOSFET。当 MOSFET 打开时，该电池单体开始通过电阻放电。由于我们知道电阻器的阻值，因此可以预测该电池正在耗多少电。

这种方法效率不高，一方面因为电会在电阻器中以热量的形式耗散，而且电路还会产生开关损耗；另一方面是整个放电电流都流经MOSFET，而MOSFET大多内置在控制器中，为了避免发热问题，因此放电电流必须限制在较低值，这就增加了放电时间。

（2）主动均衡策略

在被动均衡策略中多余的电荷没有被实际利用，而是浪费掉了。而在主动均衡策略中，一个电池的多余电荷被转移到另一个低电荷的电池上，从而使两者达到平衡，这主要是利用电容器和电感器等电荷存储元件来实现。

1）电荷穿梭法

利用电容器将电荷从高压电池转移到低压电池，电容器通过开关连接，最初，开关将电容器连接到高压电池单元，一旦电容器充电完毕，开关将其连接到低压电池单元，电容器的电荷流入电池单体。由于电荷在电池之间穿梭，这种方法被称为电荷穿梭。

这种方法的缺点是电荷只能在相邻电池之间传输。电容器必须先充电再放电才能传输电荷，因此需要更多时间。这种方法的效率也很低，因为电容器在充电和放电过程中会损失能量，而且还必须考虑开关损耗。

2）降压升压法（电感式）

另一种电池平衡方法是使用电感器和开关电路。在这种方法中，开关电路由降压升压转换器组成，高压电池的电荷被泵入电感器，然后通过降压升压转换器释放到低压电池中。下图示意了一个只有两个电池单元和一个降压升压转换器的电感式转换器。


source: Battery pack cell balancing methods这种方法也有一个主要缺点，即电荷只能从较高的电池单元转移到较低的电池单元。此外，还需考虑开关损耗和二极管压降。但这种方法比电容器方法更快、更有效。以上就是关于动力电池相关的SOC/SOH/均衡功能的介绍。

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