动力电池系统状态参数研究

陈涛

摘 要：锂离子动力电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电低等特性而得广泛的应用。为了提高电池的使用效率，电池状态的准确分析是必不可少的。为此，本文分析了电池荷电状态、能量状态、健康状态、功率状态、均衡状态和温度状态，并给出了电池各状态的定义和估计方法。

关键词：电池状态 动力电池系统

1 引言

锂离子动力电池系统具有能量密度高、循环寿命长、自放电低等特性还被广泛应用于移动能量存储和静态能量存储，例如电动汽车、微电网储能等相关领域。为了提高电池的使用效率，了解并掌握电池的状态参数就显得尤为重要。由于锂离子电池的电化学特征具有高度的非线性，导致电池的性能参数很难准确获取。为此，了解电池工作所需的状态参数，有效控制电池的使用情况，对于电池的使用具有十分重要的意义。

目前，在电池使用过程中常用的性能指标包括：荷电状态（SOC）、能量状态（SOE）、功率状态（SOP）、健康状态（SOH）、均衡状态（SOB）、温度状态（SOT）。

2 电池状态分析

2.1 电池的荷电状态

电池的荷电状态是用来衡量电池容量的使用情况，常采用电池当前的剩余容量与标称容量的百分比进行表示[1][2]。对于电动汽车，电池的该状态被用于衡量电动汽车的续航里程。电池的SOC无法通過测量设备直接获取，如图1所示，常用的估计方法包括：安时积分法、状态观测器发、开路电压法、神经网络法。

2.2 电池的能量状态

电池的能量状态是表征电池存储能量的使用情况，通常定义为电池当前的剩余能量与标称能量的比值。与电池的荷电状态不同，电池的能量状态除了与电池工作电流相关还受电池电压的影响。对于不同的电芯，可能具有相同的SOC，但电池电压的不同导致电池具有的能量也有差异。因此，电池的SOE能够有效反应不同电池、不同电压平台之间的能量差异，可以更加全面的反应电池的工作状态。

2.3 电池的功率状态

电池的功率状态表示电池当前状态充电或放电的最大功率。通常电池放电功率定义为电池从当前状态在规定时间内放电至下限截止电压的最大功率。电池的充电功率被定义为电池从当前状态在规定时间内充电至上限截止电压的最大功率。从定义可以发现，电池的功率状态限定了电池在使用过程中所能承受的最大功率，当电池的使用功率超过电池当前的功率状态时，将会造成电池的过充或过放。

2.4 电池的健康状态

电池的健康状态表示电池的特性参数相比于标称参数的偏离程度。从电池外特性的角度，通常采用电池容量衰减、内阻增加、自放电参数增加、充电时间长短、OCV曲线变化、电池一致性变化等衡量[3]，如图2所示。从电池内特性的角度，往往采用电池电极材料的多少、电子数量的多少、电解液的损耗程度、电极的厚度等参数进行度量。目前，国内外在电池SOH定义上尚未形成一个统一的衡量标准。

2.5 电池的均衡状态

电池的均衡状态是电池表征电池模组在使用过程中，由于电池一致性改变，通过主动均衡或被动均衡改变电池一致性的情况。电池均衡的指标包括电压偏差、SOC偏差、SOE偏差、电池容量偏差以及电池一致性的差异等。常用的均衡控制方式包括主动均衡和被动均衡。主动均衡是利用能量转移器件实现不同电池单体间的能量转移，如图3所示。被动均衡是采用能量耗散型元件将电池单体中多余的能量消耗掉。

2.6 温度状态

电池的温度状态表征电池在使用过程中温度的变化情况。电池对外的特征变现为阻容特性，为此电池在不同温度、不同电流下的温度状态也不同。尤其在充电过程中，由于电池内部要克服电化学反应需要消耗大量的能量，对外表现的内阻大于放电时的内阻。为此，电池在充电过程中，充电电流越大电池的温度状态变化越明显。

3 结语

电池状态的准确度量，对于了解电池使用情况、通过有效的策略提高电池使用效率起到非常重要的作用。为此，本文给出了电池荷电状态、能量状态、功率状态、健康状态、均衡状态和温度状态的定义方法以及估计策略，对于电池的安全高效运行具有重要意义。

参考文献：

[1]Plett G L. Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs：Part 2. Modeling and identification[J]. Journal of power sources，2004，134（2）：262-276

[2]Lee S，Kim J，Lee J，et al. State-of-charge and capacity estimation of lithium-ion battery using a new open-circuit voltage versus state-of-charge[J]. Journal of power sources，2008，185（2）：1367-1373.

[3]Ng K S，Moo C S，Chen Y P，et al. Enhanced coulomb counting method for estimating state-of-charge and state-of-health of lithium-ion batteries[J]. Applied energy，2009，86（9）：1506-1511.