讓電池管理系統(tǒng)出色表現(xiàn)，SOC算法背后有大學(xué)問(wèn)

SOC（state of charge）算法一直是電池管理系統(tǒng)（BMS）開(kāi)發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此討論SOC算法的技術(shù)文章很常見(jiàn)，企業(yè)對(duì)SOC估算的高精度也往往是宣傳的亮點(diǎn)。而關(guān)于SOC詳盡的解釋和定義卻不常被考慮，從而導(dǎo)致了SOC算法結(jié)果的參考價(jià)值大打折扣。顯而易見(jiàn)若SOC的概念都是模糊的，又何來(lái)精確的SOC呢？因此作者希望通過(guò)本文分析幾種維度下的SOC值，以及這些SOC值的作用。
　　粗率的說(shuō)，SOC=剩余容量/額定容量，而要準(zhǔn)確表述SOC的意義就要對(duì)計(jì)算的分母——額定容量（Total Capacity）和分子——剩余容量（Residual Capacity）進(jìn)行更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。以下是某些企業(yè)和組織關(guān)于SOC的定義：
　?。?）美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）在其《電動(dòng)汽車(chē)電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中定義SOC 為：電池在一定放電倍率下， 剩余電量與相同條件下額定電量（Ah）的比值。
　?。?）韓國(guó)起亞汽車(chē)公司定義SOC為：SOC= 剩余可用能量 / 總的可用能量（Wh）。
　?。?）日本本田公司電動(dòng)汽車(chē)EV Plus定義SOC為：SOC = 剩余電量 / （額定電量 - 電量衰減）；剩余電量（Ah）= 額定電量 - 凈放電量 - 自放電量 - 溫度補(bǔ)償電量。
　　SOC算法首要的難點(diǎn)便是針對(duì)不同的“功能需求”進(jìn)行額定容量和剩余容量的定義，同時(shí)這兩個(gè)參數(shù)一旦從不同的性質(zhì)維度、溫度維度、電池生命周期維度去觀察，則可能計(jì)算出不同的SOC值。首先解釋什么是“功能需求”。在計(jì)算出電池組系統(tǒng)的SOC值后，有多個(gè)功能模塊將調(diào)用SOC值作為其的輸入，同時(shí)不同的功能模塊調(diào)用SOC值的需求也不盡相同。大致可以將“功能需求”分為三類(lèi)：
　　1.用戶參考需求：
　　第一類(lèi)是最常見(jiàn)的需求，即用戶需要對(duì)電池系統(tǒng)剩余的可用能量進(jìn)行評(píng)估，從而決策對(duì)產(chǎn)品的使用方式。因此用戶更為在意的是與運(yùn)行距離或使用時(shí)間對(duì)應(yīng)的SOC關(guān)系。
　　2.整車(chē)控制策略參考需求：
　　第二類(lèi)是整車(chē)控制策略需要參考的SOC值，從而對(duì)行駛策略進(jìn)行管理。尤其是混動(dòng)汽車(chē)需要將SOC值始終控制在適合的區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排（SOC不能太高，確保剎車(chē)能量能盡可能多的回收），提升性能（SOC不能太低，確保加速過(guò)程的大功率輸出），提高能量效率（保持在低內(nèi)阻SOC區(qū)間運(yùn)行），延長(zhǎng)電池壽命（保持長(zhǎng)期運(yùn)行淺充淺放）的作用。因此整車(chē)控制器更為在意的是功率特性和壽命衰減對(duì)應(yīng)的SOC關(guān)系。
　　3.電池管理算法參考需求：
　　第三類(lèi)是電池管理算法中需要參考的SOC值，由于電池組系統(tǒng)將隨著使用和擱置從BOL狀態(tài)向EOL狀態(tài)過(guò)渡，而B(niǎo)MS則需要對(duì)電池系統(tǒng)全生命周期進(jìn)行管理。因此電池管理算法更為在意的是在內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)，使算法在BOL和EOL之間的任一狀態(tài)找到可以互相等價(jià)的SOC關(guān)系。類(lèi)似于工程經(jīng)濟(jì)學(xué)中利用時(shí)間價(jià)值模型將不同階段的資金通過(guò)折現(xiàn)率算法（discount rate） 計(jì)算，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)化或比較。
　　由此可見(jiàn)要滿足不同“功能模塊”對(duì)SOC值的參考需求，SOC值的含義需要更多元，對(duì)不同功能輸出的SOC值要更精準(zhǔn)。接下來(lái)我們就需要討論該從哪幾個(gè)維度去定義SOC值：
　　1.容量性質(zhì)維度
　　進(jìn)行容量積分運(yùn)算的時(shí)候我們可以根據(jù)電荷守恒定律選擇以安時(shí)（Ah）為單位，也可以根據(jù)能量守恒定律選擇以瓦時(shí)（Wh）為單位。如下圖所示，以容量C為X軸，以電壓V為Y軸。不同溫度下1C放電截止在X軸上的點(diǎn)為當(dāng)前溫度下電池的電量（mAh），而各個(gè)放電曲線與X、Y軸形成的面積為當(dāng)前溫度下電池的能量（wh）。從圖中可以看出在低溫環(huán)境下電池電壓平臺(tái)顯著下降，因此在低溫下即使總電量損失不明顯，但總能量將大大降低。因此當(dāng)SOC值被用于衡量續(xù)航的時(shí)候，顯然用能量（Wh）這個(gè)維度表征更加適合。舉例：如果用電量（Ah）的維度來(lái)計(jì)算，將會(huì)出現(xiàn)100%至50%的過(guò)程比50%至0%所釋放的能量（wh）多的情況，用戶可能會(huì)因此對(duì)續(xù)航做出過(guò)于樂(lè)觀的判斷，導(dǎo)致半路拋錨。這就是第一個(gè)要考慮的定義容量性質(zhì)的維度。
　　
　　2.溫度狀態(tài)維度
　　討論溫度維度之前，首先需要了解溫度變化對(duì)于電量變化的影響。為了便于理解和想象我提出了一種用于描述電池狀態(tài)的幾何模型。如下圖所示：為一個(gè)60Ah電池的模型。橫坐標(biāo)為電流（A），縱坐標(biāo)為時(shí)間（S）。因此X=60 （A），Y=3600 （S）與坐標(biāo)軸一同封閉的面積即使電池的電量60（Ah）。然后運(yùn)用電流積分運(yùn)算，就可以基于這個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算SOC值，SOC= S2 /（S1 + S2）。
　　
　　接下去我們來(lái)做一個(gè)可以完全憑借想象的實(shí)驗(yàn)。假設(shè)有一顆單體電池A在25℃環(huán)境下滿電狀態(tài)容量為60Ah；將其在25℃滿充，然后在0℃充分?jǐn)R置再放空，共放出50Ah。那么請(qǐng)想象：如果將該顆電池A在25℃調(diào)整SOC為50%（即剩余容量為30Ah），再將其放置于0℃充分?jǐn)R置并放空。請(qǐng)問(wèn)能放出的容量應(yīng)該是多少？建議大家先不要往下看，先憑借想象力估算一下。