一文了解SOC&SOH&SOP

落叶纷飞

电池管理系统（BMS）的主要功能有电池状态估计，电池均衡，充放电控制，热管理，通讯诊断和安全保护等功能，如下图所示：


source: Battery Management System Subsystems and Their Influence | Encyclopedia MDPI其中，状态估计功能主要包括以下几个方面：

荷电状态（SOC）估计：这是衡量电池剩余电量的一个重要指标，通常以百分比表示。SOC 估计对于确保电池有效利用和延长其使用寿命至关重要。健康状态（SOH）估计：SOH 反映了电池的当前容量相对于其初始容量的比例，用于评估电池的老化程度和性能衰退。功率状态（SOP）估计：SOP 涉及到电池的充放电能力，包括电池的最大充电和放电速率。可用能量状态（SOE）估计：SOE 估计提供了电池当前可用能量的信息，对于电动汽车等应用中的能量管理非常重要。

source: 锂电池组SOH估算的方法 - 格瑞普电池 (ace-pow.com)这些状态估计功能共同构成了 BMS 的核心，使得电池管理系统能够有效地监控和维护电池的性能和安全性，从而延长电池的使用寿命并提高整体系统的可靠性和效率。本文我们重点介绍SOC，SOH和SOP，掌握它们之间的区别和关系至关重要，下面将深入分析这三者的定义以及它们在BMS中的区别和重要性。
1 电池充电状态(SOC)

1.1 SOC的定义

在BMS中，最重要的参数是SOC，我们通常在骑电动自行车或使用手机时看到的剩余电量是BMS计算SOC的结果。通常可以理解为电池剩余电量，其取值范围在0-100%之间，SOC=0表示电池完全放电，SOC=100%表示电池充满电。

1.2 如何估算SOC
估算电池中的SOC是一项复杂的任务，取决于电池类型和应用。准确的SOC可避免过充电或过放电，从而提高系统性能和电池寿命。然而，在电池管理系统中精确估算SOC是具有挑战性的，因为充放电过程中的化学和物理过程是复杂的。因此，估算SOC的一般方法是密切监测流进和流出电池的电流和每个电池的电压，这些数据与电池规格(如温度、使用寿命和制造商充电/放电特性)相结合。根据初始SOC估计，系统跟踪电荷的流入与流出，以此提供更新的SOC。但是自放电和电流泄漏等因素会随着时间的推移降低SOC精度。SOC估算常用的方法有：安时积分法、开路电压法和卡尔曼滤波法等。这些方法适用于所有电池系统，特别是混合动力汽车和电动汽车。1）安时积分法SOC估算的最常用方法是安时积分法，该方法使用以下公式:

式中，SOC(t0)为充电初始状态，Crated为电池额定容量，Ib为电池电流，illoss为损耗反应消耗的电流。安时积分法通过简单地跟踪进入或退出电池的电荷来确定剩余的电池容量。这种方法的准确性主要取决于电池电流的精确测量和初始SOC的准确估计。当已知的电池容量可用时，SOC可以通过积分计算运行期间的充电和放电电流。重要要注意，由于在这些过程中发生的损失，在充电和放电过程中可以释放的实际电荷总是少于存储的电荷。简单地说，在充电和放电期间都存在效率低下的问题，这些问题与自放电一起导致了误差的累积。为了更准确地估算SOC，必须考虑这些因素。此外，建议定期重新校准SOC，并考虑减少的可释放容量，以提高估计的精度。2）开路电压法开路电压法依赖于使用电池的既定放电曲线(电压与SOC)，将电池电压读数转换为等效的SOC值。然而，需要注意的是，电压受到电池电化学动力学和温度的显著影响，主要是由电池电流驱动的。为了提高该方法的精度，可以应用与电池电流相关的校正项，并参考详细说明电池开路电压(OCV)与温度相关的查找表。电压方法遇到了与保持电池稳定电压范围相关的挑战，使其实现复杂。此外，放电测试通常涉及随后的充电，这使得它既耗时又不可行。另一个缺点是，在测试过程中，系统的功能被中断(离线方法)，而安时积分法是实时运行的(在线方法)。3）卡尔曼滤波法卡尔曼滤波是一种用于估计动态系统内部状态的通用算法，可以有效地用于估计电池的SOC，这涉及到将所需的未知变量(如SOC)合并到系统的状态描述中。然后，卡尔曼滤波器推导出这些值，并为估计提供误差范围。因此，它演变成一种带有纠错机制的基于模型的状态估计技术，便于实时SOC预测。卡尔曼滤波是一种在线的、动态的方法，通常它需要一个适合电池系统的模型和精确的参数辨识，此外，它需要大量的计算资源和精确的初始化过程。目前从学术界汇总的SOC估算方法如下所示：


source：Classification of SOC estimation methods
2 电池健康状态(SOH)

2.1 SOH的定义
SOH 是衡量电池与全新电池的原始规格相比性能的指标，它反映了电池的当前容量相对于其初始容量的比例，用来评估电池的老化程度和性能衰退。SOH 以百分比表示，其中 100% 表示电池处于完美健康状态，低于 100% 的值表示性能随时间推移而下降。正如我们通过定期检查和体检来评估我们的健康状况一样，电池也需要持续评估以确定其健康状况。那么哪些因素会影响SOH呢？

循环次数: 电池经历的充放电循环次数会降低其SOH，每次循环都会造成少量磨损，最终导致容量降低。

放电深度: 深度放电，即电池放电到较低的充电状态，可以加速SOH的降解。

温度: 在极端温度下使用电池，无论是热的还是冷的，都会损害电池的健康。极端温度会影响电池内部的化学反应，导致性能问题。高温加速了反应，但随着时间的推移，会导致电池更快地退化。低温会减缓反应，降低电池性能。

过充电或过放电: 这两种情况都可能对电池的SOH不利，过度充电会导致电池过热并失去容量，电池放电过深会对其造成永久性损害。

2.2 如何估算SOH

1) 根据电池循环次数从表格中计算SOH
这种方法需要事先在实验室测试与电池循环次数和容量保持量相对应的表。当前循环次数由累计放电容量除以额定容量(C0)得到，然后查找循环次数与容量保持率对应关系表，得到当前容量保持率，即SOH值。


source: An Online SOC and SOH Estimation Model for Lithium-Ion Batteries

2) 根据充电容量计算SOH
车辆充电时，记录充电开始SOC (SOC0)和充电结束SOC (SOC1)，然后用安时积分法计算充电后电池(C1)的容量，用下式计算SOH值。

从上式可以看出初始SOC0和SOC1对SOH计算精度影响较大，所以为了提高计算精度，一般选择起始SOC较低和充满SOC的数据进行计算。目前从学术界汇总的SOH估算方法如下所示：

source：Status of Health Estimation Methods
3 电池电量状态(SOP)
3.1 SOP的定义SOP是指在任何给定时间测量电池的功率输出能力, 它也是用百分比表示的，100%代表一个完全有能力的电池，准备提供最大的功率输出。SOP百分比越低，说明电池的供电能力降低。
3.2 SOP的重要性

SOP重要性体现在以下几点：

性能：在电动汽车等应用中，电池必须快速供电以加速、爬坡或执行紧急机动，了解SOP有助于确保电池能够满足这些性能要求。安全性：在紧急情况下，当需要突然供电时，低SOP的电池可能无法充分供电，从而可能危及安全，SOP监控有助于降低这些风险。效率：SOP监控实现高效的电源管理。比如在可再生能源系统中，具有高SOP的电池可以在需求高峰期快速放电，提高能量分配效率。

3.3 哪些因素会影响SOP

温度：极端温度会影响电池的输出功率。高温可以暂时改善电力输送，但可能导致长期退化，相反，低温会降低功率输出。内阻：随着电池老化，内阻会增加，导致输出功率降低。高循环率和过度充电等因素可能会加速这一过程。容量损失：容量减少的电池也会有较低的SOP，因为它不能像充满电的电池那样长时间维持高功率输出。

4 SOC&SOH&SOP的关键差异和关系
上面我们已经了解了SOC、SOH和SOP的各个概念，那么这些参数是如何区分和相互关联，了解这三者之间的主要区别和相互关系对于有效的电池管理和优化至关重要。
4.1 SOC、SOH和SOP的关键区别
SOC主要衡量电池的剩余能量容量，以电池总容量的百分比形式表示，SOC告诉我们电池是满的还是部分耗尽；SOH评估电池的整体状况和老化情况，SOH以百分比形式反映电池随时间的磨损；SOP关注电池在给定时刻有效供电的能力，即提供所需功率输出的能力，SOP取决于温度、内阻和容量等因素。
4.2 SOC、SOH和SOP的相互关系和影响
SOH和SOC：电池的SOC会影响电池的SOH，反复深度放电或过充，通常反映在低SOC水平上，会加速老化过程，降低电池的整体健康水平，将电池保持在安全的SOC范围内可以延长其SOH。



SOC和SOP：SOC直接影响电池的供电能力，具有较高SOC的电池通常具有更多可供立即使用的功率。然而长时间保持高SOC可能不利于SOH，因此必须达到平衡。


SOH和SOP：随着时间的推移，电池的SOH会降低，其供电能力会下降，随着老化，电池内阻可能会增大，影响SOP。比如，低SOH的旧电池可能难以像新电池一样有效地提供电力。

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ok! 以上就是对SOC、SOH和SOP三者定义，估算方法和它们之间联系与区别的介绍，更多内容请关注后续文章。



source:8 A framework for battery SoC, SoP, and SoH estimations