【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》將于8月份出版，該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設計》之后系列叢書的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時一年聯(lián)袂打造，內容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術發(fā)展綜述、系統(tǒng)設計、結構設計、BMS設計、熱管理設計、結構仿真分析、測試驗證，以及生產制造技術，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》第二章“動力電池系統(tǒng)總體方案設計”。

第四章：動力電池管理系統(tǒng)設計

一. SoC相關的概念

很多時候，剩余電量與荷電狀態(tài)（SoC）經常被混為一談。然而，嚴格來說，其兩者定義是有差別的，所采用的單位也不一致。本小節(jié)先討論與SoC相關的一些概念，并對其進行辨析。

1.SoC

對SoC常用的定義是：

式中的分子及分母，都以電量（而不是能量）的形式存在，其物理單位可以用“庫侖”（C），也可以用“安時”（A·h或簡寫為Ah），并且有1Ah=3600C。

利用式(4-1)對電池的SoC進行定義，大多數(shù)人都是基本認同的。然而，分歧就出在對分子以及分母的理解上了。式(4-1)中，分數(shù)線的下方一般理解為“電池的容量”，對“容量”定義的分歧，也會導致對SoC概念理解的不一致。

2.剩余電量

電池中電荷的剩余量，即剩余電量（記為Qremain），指的是從當前時刻起，某個電池內部通過化學反應所能釋放出來的電荷量，可以類比于杯子里所裝的水，其余量可以由杯子所能倒出的水的多少來反映。剩余電量可以用“安時”（Ah）為計量單位。

廣義地說，剩余電量應該是所有可能發(fā)生的化學反應釋放出來的電荷量的體現(xiàn)。這里所說的“所有”，指的就是在不損壞電池的前提下，選擇適當?shù)臏囟群头烹姳堵仕芊懦龅碾姾傻淖畲笾怠?/p>

狹義的剩余電量，指的是在限定的溫度條件和放電倍率下，電池所能放出的電荷的多少。例如在比較低的溫度下，水杯里有一部分的水結冰凍住了，剩余量就是把那些還沒結冰的液態(tài)的水全部倒出來的多少?？梢?，狹義的剩余電量應該是溫度和放電倍率的因變量。

在實際工作中，以上廣義和狹義的兩種概念都會被使用到。在常溫和小倍率放電的前提下，兩者的值幾乎是相等的，因此在傳統(tǒng)的使用中，人們往往不加區(qū)分地把這兩個概念等同起來。但對于電動汽車的動力電池而言，由于汽車的工作環(huán)境溫度變化可能較大，而且放電倍率也比較大，因此我們在使用過程中應該清醒地意識到所指的剩余電量是以上廣義和狹義的具體哪一種。

3.電池的容量

仍然有不少工程師在定義SoC的概念時使用標稱容量（Qrated）。然而，使用標稱容量并不合適，理由在于以下兩個方面：

第一，標稱容量與實際容量（Qtrue）是有區(qū)別的。表4-1給出的是A、B、C三個廠家所提供的全新的電池樣本的實際電荷容量與標稱值之間的對比。從表中可見，電池所能放出的實際電荷量與標稱值并不完全相等。

第二，標稱容量不能反映電池的老化。隨著電池的老化，電池所能放出的實際最大電荷量也在不斷變小。這一點很好地解釋了為什么有些SoC算法對于新電池的SoC來說比較準確，但隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加估算的偏差則越來越多。

關于式(4-1)中的“電池的容量”的另一種理解是：

式中，k是電池的標稱容量之外附加的一個“補償因子”，有：

其中，分別表征溫度、電池放電倍率以及電池的老化程度。

事實上，對于一個充滿了的電池來說，所能放出的電荷的最大值受放電倍率、環(huán)境溫度等因素影響，不是一個恒常的值。表4-2為給出的是A廠家標稱為100Ah的一個新的動力電池樣本在不同溫度、不同放電倍率條件下實際可放出的電荷數(shù)量。

注：該電池樣本標稱電量為100Ah。

使用式(4-2)來估算SoC的好處是，不再將式(4-1)中的分母看作為一個靜態(tài)的值，而將其與電池老化后容量衰減、庫侖效率、溫度對電池放電倍率的影響等多方面動態(tài)的因素結合起來，使得SoC的估算值成為劣化程度和“放電條件”的函數(shù)，更符合實際。

二. SoF的估算

SoF（State of Function）是近年來比較熱門的一個概念。本小節(jié)我們給出SoE、SoF的定義，以及SoF估算的一般思路。

1. SoE（State of Energy）

顧名思義，SoE指的是電池剩余能量，可以使用百分比符號（%），也可以使用能量的單位焦耳（J），但在電動汽車上，很多時候使用kWh來作為單位，也就是人們經常所說的“還剩下多少度電”。有以下的換算關系： 

然而，仔細分析一下，SoE也有兩個層面的意義。首先指的是某個時刻，電池組所荷帶的“化學能”我們用SoE0來表示，其次是指電池組可以提供給負載使用的能量用SoE1來表示。

然而，與電動汽車的續(xù)航里程相關的，并非動力電池的剩余能量SoE0，而是動力電池所能對外輸出的能量SoE1。但是，與并不只有SoC一個自變量，它還隨著不同的溫度以及放電電流大小而改變，即：

式中的I就是電池組的放電電流。

也就是說，在電池剩余電量相同的情況下，如果以不同大小的電流放電，動力電池所能對外釋放的能量是不同的。這點已經在筆者的第一本書里進行了論述。

2.SoF（State of Function）

對于電動汽車而言，SoF可以被定義為某一特定時刻，電池組可以提供給電機等各種電氣負載的功率，可以簡單地認為，SoF是SoC及溫度的函數(shù)，即有

SoP常常作為一個實時的參數(shù)由BMS提供給電機控制器以及電動汽車內的其他控制電氣系統(tǒng)，用來表征此時此刻電池所能提供的功率大小。在實際工作中，SoP的數(shù)值單位有時候是功率單位瓦特（W），也有時候是電流單位安培（A），因為通常BMS會同時提供電池組的總電壓，而總電壓與電流的乘積恰好是電池組所能提供的總功率。

實際上，對于很多電動汽車的動力系統(tǒng)來說，BMS不僅要估算特定時刻電池組對外輸出的功率SoF，還要提供電池組允許充電的最大功率SoF2。SoF2一方面要通過通信總線發(fā)送給電機，告訴電機在進行制動能量回收的時候不能超過某個極限值，另一方面要結合充電策略發(fā)送給充電機，以免充電機提供的充電電流過大而損壞電池。

3.SoF的估算

參考了有關文獻，結合筆者的工作經驗，一個包含SoF狀態(tài)估算的方法如下圖所示。

圖1 一個包含SoF狀態(tài)估算的方法

對圖1作以下說明：

(1)在討論SoC、SoH、SoF的核心算法時，不應孤立地考慮某一個問題，因為各個狀態(tài)之間是互相依賴，互為因果的，圖*正好體現(xiàn)了這種互相影響。

(2)從圖中可見，就硬件而言，除了主芯片的運算速度以外，還依賴于兩個模塊：其一，電壓、電流、溫度這些實時采集的傳感器數(shù)據(jù)是軟件計算的依據(jù)，采集的精度對于估算的精度有著直接的影響；其二，要有足夠大的存儲單元來保存有關的狀態(tài)信息，因為很多算法不僅依賴于傳感器數(shù)據(jù)，還依賴于歷史數(shù)據(jù)，一般來說，用于保存歷史數(shù)據(jù)的硬件不僅是RAM，有很多時候還需要配備ROM。

(3)許多工程師誤認為SoH的概念等價于電池的容量，事實上衡量電池SoH的主要指標中除了容量以外，還應該包括電池的等效內阻，這點我們已經在上一小節(jié)中討論過了。

(4)SoC估算是BMS軟件的核心，也是近年來研究的重點和難點。從圖中可見，SoC估算需要很多的輸入，因此它的計算往往是比較復雜和困難的；同時，SoC估算的結果也是其他軟件模塊的基礎，如SoF估算、均衡控制等。

作者：譚曉軍

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