动力锂电池 B M S 中 S O C 的计算方法

河北御捷车业有限公司 严永利

中国汽车技术研究中心 季传龙

雷沃股份有限公司诸城车辆厂 王建峰

西安中熔电气股份有限公司 刘海艳

浙江吉利汽车研究院有限公司 巢一鸣

湖南吉利汽车部件有限公司 向桂洪 肖武辉

河北御捷车业有限公司 孙春锋

动力锂电池 B M S 中 S O C 的计算方法

河北御捷车业有限公司 严永利

中国汽车技术研究中心 季传龙

雷沃股份有限公司诸城车辆厂 王建峰

西安中熔电气股份有限公司 刘海艳

浙江吉利汽车研究院有限公司 巢一鸣

湖南吉利汽车部件有限公司 向桂洪 肖武辉

河北御捷车业有限公司 孙春锋

动力锂电池组中的 BMS 需要准确的计算 SOC 值，并发送给车辆中的其他 ECU，以保证车辆在各种工况下运行时，各控制模块的ECU 在不同的 SOC 下，采用合适的控制策略，从而保证整车的行驶安全。锂电池组中 SOC 的计算方法，一直在发展进步，本文从现状出发，介绍了现阶段 BMS 对于锂电池组 SOC值的几种计算方法，并深入研究了 SOC 值计算的基本理论。

锂电池 pack；BMS；SOC；电量

1 电量管理

电量管理的基本含义是通过检测电池的某些参数，计算或者估计出电池的电量状态，然后将电量报告给相应的智能单元和使用人员，电量状态用 SOC 表示。SOC 又称为电池荷电状态，或者电池储存电量百分数。电池的实际电量状态跟电池组内单体的离散度、使用温度和电流历史等有关，也与其后使用温度和电流有关。电量报告的意义在于规划用电，防止使用过程中意外断电或者过充过放电现象的出现。

要报告电量，就要有检测、计算或者估算电量的方法。电池电量如果不实际放电，则不是一个可以直接测量的量，必须通过电池的电压、电流、温度等测量值，以及电池 BMS 之外测得的内阻、容量等参数来进行间接估算。电量估算是一个世界难题，因为即使完全一样的测试数据，也不能代表就是同样的 SOC。这样在同一组参数和测试数据之下，SOC 可能的真实值，就是 SOC 估算误差的来源。

当然，直接进行标准 SOC 测试的方式，是按标准放电方法将电池放电到低压保护截止电压，测试机给出的放电量就是该测试条件下的标准电量。这种方法虽然得到一个标准 SOC值，但电池也放完电了，不可能用于车辆实际的 SOC 电量管理。

2 SOC 的估算方法

2.1 以端电压为基础的方法

这种方法起源于开路电压法，将电池静置足够长的时间，由于电池内部完全达到了平衡，那么端电压就等于电池的静态电动势，这与 SOC 有比较准确的对应关系。但是这种方法是无法用于车辆实时估算 SOC 的，因为使用过程中无法留出足够的时间来静置电池。即使用于校准 SOC，也不能保证需要的时候就有足够的静置时间。所以，在实际使用中电池的端电压，就成为考虑的参数。虽然这种方法跟开路电压法比起来，由于电流和使用历史，电池的不平衡部分存在不确定性，即存在误差，但是这种误差是固定的，每次估算误差都会在同样的范围内，因而是一种可重复的估算方法，结果在误差范围内总是可信的。

电压法的一个难点是电压测试的精度，对于磷酸铁锂来说，在平台区内，电压测试误差5mV，代表 SOC 变化，对于 SOC 估算来说已经太大了。提高电压的测试精度，或者提高电压的分辨率，能够有效地解决这个问题。将电压轴拉伸 10 倍，则电压变化的细节分辨就提高了一个数量级，这个拉伸通过一个差分放大器就能够实现。

2.2 以安时积分为基准的方法

安时法的理论基础是，已用掉的电量加上剩余的电量，等于电池的容量。剩余电量是一个未来参数，但是已经用掉的电量是一个过去参数，可以估算出来。最简单的方法是直接将电流测试值乘以测试间隔时间作为该时间间隔的电量变化，所有电流测试间隔的电量求和得到电量变化值，然后用容量减去这个消耗掉的电量，就得到了剩余的电量绝对值，但是 SOC一般显示一个百分数，就用剩余电量绝对值除以电池容量。SOC=（Cn-Q）/Cn。这种方法具有累积的特性，比如电流测试值比真实值小，那么估计的电量变化会比真实值小，这就形成了一个剪刀差。出现的极端情况是 100%和 0%状态倒置，就是当充电充满的时候，BMS 给出的SOC 是 0%，有的是 8%。当然这种方法还没有考虑电池的使用环境和使用工况，方法本身的误差有点大。而且这种方法必须要预先给定一个电池组的容量 Cn，这个给出的容量是有误差的，因为厂家在出厂时并没有精确地测定每一组电池的容量。然后随着使用，电池的一致性变差，Cn 发生了变化，这个变化 BMS 是无法定量精准判定的，这里又带入了一个误差，单体的容量与整组电池的容量变化不同，又引进一个误差。所有的这些误差累加起来，很容易超过 20%，在电池组状态比较差的情况下，SOC 还显示 40%。

为了改进算法本身的精度，改良的安时积分法被开发和提出。线性法就是其中之一，线性法不把两个电流测试间隔的电量变化简单地计算为电流乘以时间间隔，而是把电量变化假设为电流、电压、温度等多种参数的一个线性函数。这种方法等于考虑了电池的使用历史，拟合后消除了安时法的一项误差来源，这是一种进步。但是安时法不只有这么一个误差来源，因此，这种方法在实际使用中还是存在比较大的问题。

2.3 卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法，把电池充放电的运行过程看作是一个状态转换过程，状态有 n 个状态参数来确定。这里考虑了更多的参数，这种方法还考虑过程激励噪声和观测噪声，分别用方差来表示。然后以当前状态预估下一个状态的状态值，再以下一个状态的实测值来验证。这样一个预估校正过程，能够消除更多的误差。但是单体的离散等依然无法解决。

2.4 神经网络法

神经网络法是将测量值和计算值通过神经网络来对应电池的 SOC状态，需要大量的自学习和调整，目前还并没有成熟到实用的程度。

3 结论

本文从动力锂电池的 SOC 的计算方法入手、从现状出发，对目前常用的 SOC 计算方法进行了介绍，并深入分析了各种计算方法的优缺点，为动力锂电池 BMS 对于其 SOC 的计算提供了一些思路和方法，对于动力锂电池 BMS 计算 SOC 的软件设计具有参考意义。

[1]王芳,夏军等．电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M]．北京：科学出版社,2016．

[2]EN 1987-1．Electrically propelled road vehicles-Specific requirements for safety-Part 1：On board energy storage[S]．1997．

[3]GB/T 31467．2．电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分：高能量应用测试规程[S]．2015．

严永利（1981—），男，陕西西安人，硕士，工程师，现供职于河北御捷车业有限公司，主要研究方向：电动汽车整车动力系统功率匹配设计、电动汽车电子电气系统、CAN总线网络技术、高低压线束及安全设计、锂电池系统等。

季传龙 （身份证号：371326198811103830），现供职于中国汽车技术研究中心。

王建峰 （身份证号：371327198401261816），现供职于雷沃股份有限公司诸城车辆厂。

刘海艳 （身份证号：612723198710250827），现供职于西安中熔电气股份有限公司。

巢一鸣 （身份证号：370725198710100010），现供职于浙江吉利汽车研究院有限公司。

向桂洪 （身份证号：500237198502030014），现供职于湖南吉利汽车部件有限公司技术部。

肖武辉 （身份证号：432524199011051438），现供职于湖南吉利汽车部件有限公司。

孙春锋（身份证号：612301198004012776），现供职于河北御捷车业有限公司。