【編者按】《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》將于8月份出版，該書(shū)是繼《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)》之后系列叢書(shū)的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時(shí)一年聯(lián)袂打造，內(nèi)容涵蓋動(dòng)力電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展綜述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真分析、測(cè)試驗(yàn)證，以及生產(chǎn)制造技術(shù)，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實(shí)踐參考。本文節(jié)選自《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》第二章“動(dòng)力電池系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)”。

第四章：動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一. SoC相關(guān)的概念

很多時(shí)候，剩余電量與荷電狀態(tài)（SoC）經(jīng)常被混為一談。然而，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，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(guān)的一些概念，并對(duì)其進(jìn)行辨析。

1.SoC

對(duì)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(kù)侖”（C），也可以用“安時(shí)”（A·h或簡(jiǎn)寫(xiě)為Ah），并且有1Ah=3600C。

利用式(4-1)對(duì)電池的SoC進(jìn)行定義，大多數(shù)人都是基本認(rèn)同的。然而，分歧就出在對(duì)分子以及分母的理解上了。式(4-1)中，分?jǐn)?shù)線的下方一般理解為“電池的容量”，對(duì)“容量”定義的分歧，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(dāng)前時(shí)刻起，某個(gè)電池內(nèi)部通過(guò)化學(xué)反應(yīng)所能釋放出來(lái)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(lái)反映。剩余電量可以用“安時(shí)”（Ah）為計(jì)量單位。

廣義地說(shuō)，剩余電量應(yīng)該是所有可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)釋放出來(lái)的電荷量的體現(xiàn)。這里所說(shuō)的“所有”，指的就是在不損壞電池的前提下，選擇適當(dāng)?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(jié)冰凍住了，剩余量就是把那些還沒(méi)結(jié)冰的液態(tài)的水全部倒出來(lái)的多少?？梢?jiàn)，狹義的剩余電量應(yīng)該是溫度和放電倍率的因變量。

在實(shí)際工作中，以上廣義和狹義的兩種概念都會(huì)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(gè)概念等同起來(lái)。但對(duì)于電動(dòng)汽車的動(dòng)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?cè)谑褂眠^(guò)程中應(yīng)該清醒地意識(shí)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(shí)使用標(biāo)稱容量（Qrated）。然而，使用標(biāo)稱容量并不合適，理由在于以下兩個(gè)方面：

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

第二，標(biāo)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(shí)際最大電荷量也在不斷變小。這一點(diǎn)很好地解釋了為什么有些SoC算法對(duì)于新電池的SoC來(lái)說(shuō)比較準(zhǔn)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(lái)越多。

關(guān)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(biāo)稱容量之外附加的一個(gè)“補(bǔ)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(shí)上，對(duì)于一個(gè)充滿了的電池來(lái)說(shuō)，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(gè)恒常的值。表4-2為給出的是A廠家標(biāo)稱為100Ah的一個(gè)新的動(dòng)力電池樣本在不同溫度、不同放電倍率條件下實(shí)際可放出的電荷數(shù)量。

注：該電池樣本標(biāo)稱電量為100Ah。

使用式(4-2)來(lái)估算SoC的好處是，不再將式(4-1)中的分母看作為一個(gè)靜態(tài)的值，而將其與電池老化后容量衰減、庫(kù)侖效率、溫度對(duì)電池放電倍率的影響等多方面動(dòng)態(tài)的因素結(jié)合起來(lái)，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(shí)際。

二. SoF的估算

SoF（State of Function）是近年來(lái)比較熱門(mén)的一個(gè)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(hào)（%），也可以使用能量的單位焦耳（J），但在電動(dòng)汽車上，很多時(shí)候使用kWh來(lái)作為單位，也就是人們經(jīng)常所說(shuō)的“還剩下多少度電”。有以下的換算關(guān)系： 

然而，仔細(xì)分析一下，SoE也有兩個(gè)層面的意義。首先指的是某個(gè)時(shí)刻，電池組所荷帶的“化學(xué)能”我們用SoE0來(lái)表示，其次是指電池組可以提供給負(fù)載使用的能量用SoE1來(lái)表示。

然而，與電動(dòng)汽車的續(xù)航里程相關(guān)的，并非動(dòng)力電池的剩余能量SoE0，而是動(dòng)力電池所能對(duì)外輸出的能量SoE1。但是，與并不只有SoC一個(gè)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(shuō)，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(dòng)力電池所能對(duì)外釋放的能量是不同的。這點(diǎn)已經(jīng)在筆者的第一本書(shū)里進(jìn)行了論述。

2.SoF（State of Function）

對(duì)于電動(dòng)汽車而言，SoF可以被定義為某一特定時(shí)刻，電池組可以提供給電機(jī)等各種電氣負(fù)載的功率，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，SoF是SoC及溫度的函數(shù)，即有

SoP常常作為一個(gè)實(shí)時(shí)的參數(shù)由BMS提供給電機(jī)控制器以及電動(dòng)汽車內(nèi)的其他控制電氣系統(tǒng)，用來(lái)表征此時(shí)此刻電池所能提供的功率大小。在實(shí)際工作中，SoP的數(shù)值單位有時(shí)候是功率單位瓦特（W），也有時(shí)候是電流單位安培（A），因?yàn)橥ǔMS會(huì)同時(shí)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(shí)際上，對(duì)于很多電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BMS不僅要估算特定時(shí)刻電池組對(duì)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(guò)通信總線發(fā)送給電機(jī)，告訴電機(jī)在進(jìn)行制動(dòng)能量回收的時(shí)候不能超過(guò)某個(gè)極限值，另一方面要結(jié)合充電策略發(fā)送給充電機(jī)，以免充電機(jī)提供的充電電流過(guò)大而損壞電池。

3.SoF的估算

參考了有關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)包含SoF狀態(tài)估算的方法如下圖所示。

圖1 一個(gè)包含SoF狀態(tài)估算的方法

對(duì)圖1作以下說(shuō)明：

(1)在討論SoC、SoH、SoF的核心算法時(shí)，不應(yīng)孤立地考慮某一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦鱾€(gè)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(jiàn)，就硬件而言，除了主芯片的運(yùn)算速度以外，還依賴于兩個(gè)模塊：其一，電壓、電流、溫度這些實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)是軟件計(jì)算的依據(jù)，采集的精度對(duì)于估算的精度有著直接的影響；其二，要有足夠大的存儲(chǔ)單元來(lái)保存有關(guān)的狀態(tài)信息，因?yàn)楹芏嗨惴ú粌H依賴于傳感器數(shù)據(jù)，還依賴于歷史數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)，用于保存歷史數(shù)據(jù)的硬件不僅是RAM，有很多時(shí)候還需要配備ROM。

(3)許多工程師誤認(rèn)為SoH的概念等價(jià)于電池的容量，事實(shí)上衡量電池SoH的主要指標(biāo)中除了容量以外，還應(yīng)該包括電池的等效內(nèi)阻，這點(diǎn)我們已經(jīng)在上一小節(jié)中討論過(guò)了。

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

作者：譚曉軍

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