新型BMS、SOH、SOC电池容量计算系统

艾贻霞

摘要：电池容量SOH和运行效率决定了车辆的行驶里程，电池的剩余容量SOC决定了车辆还能行驶的距离，电池的质量决定了电池的使用时间。使用时不过充、不过放，电池的使用时间便可大大延长。由于电池的虚电效应和电压/容量关系是非线性的，用电压作为容量指示非常不准确，无法达到正确显示剩余电量SOC的目的，尤其不能正确估算出电池当前最大容量SOH。新型SOH、SOC电池容量估算系统能提供智能、准确、稳定的电池状态数据。

关键词：电池容量;BMS;SOH;SOC

Abstract： The battery capacity SOH and operating efficiency determine the mileage of the vehicle， the remaining capacity SOC of the battery determines the distance that the vehicle can travel， and the quality of the battery determines the battery life. If the battery is not overcharged or discharged， the battery life can be greatly extended. Since the virtual power effect of the battery and the voltage/capacity relationship are non-linear， using voltage as a capacity indicator is very inaccurate and cannot achieve the purpose of correctly displaying the remaining power SOC， especially the current maximum capacity SOH of the battery cannot be correctly estimated. The new SOH and SOC battery capacity estimation system can provide intelligent， accurate and stable battery status data.

0  引言

本文介紹一种智能、稳定、准确的电池状态数据系统，只关注剩余里程，避免过放电对电池造成伤害，有效延长电池使用寿命。

1  电池BMS、SOH和电池SOC简介

电池BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一个字母简称组合，称之为电池管理系统。俗称之为电池保姆或电池管家;电池管理系统（BMS）主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。BMS的工作原理：通过对与之配套的电流变送器、速度传感器和其他变送器（温度、电压等）输出电信号的采集，用一定的数学模型计算出SOH、SOC、瞬时速度、累积里程、续航、kWh等，并进行显示和储存。有的BMS还具有将SOH转换成电信号进行输出和进行定量控制的功能。

电池SOH是指电池组的最大蓄电能力（Ah），电池SOH相当于燃油车加满油的油箱体积，续航里程取决于油箱体积的大小。电池SOH的大小代表着蓄电能力、续航里程的多少，电池组SOH显示电池组工作性能，车辆续航状态，为保障电池组正常使用，延长电池组使用寿命提供关键数据。

电池SOH是计算电池SOC的基础，没有准确的电池SOH，就得不到准确的电池SOC，准确计算电池组SOH是电池检测的万物之本。

电池SOC是指电池组的剩余电量（Ah）与电池SOH的百分比。

这相当于燃油车油箱还剩多少油。

2  电池BMS的组成

目前低速电动车（包括两轮、三轮、四轮），由以下几大部分组成：车架（车身、底盘、车门、车窗、车座、方向盘、仪表台等等）;滚动传动（车轮、减震、车轴、变速箱、电机、控制器、刹车等等）;电控（转向灯、大灯、尾灯、内灯、线束、报警、电缆充电器、仪表、多媒体、DC/DC电源等等）;电池。

①“车架”部分决定了驾乘的舒适程度。其外观、内饰、座椅等好坏非常直观，使用者或购买者通过观察非常容易看出其质量。日常使用中，也很容易看出是否正常。

②“滚动传动”部分决定了车辆的运行效率和安全。这部分的性能，购买者可以通过试乘、试驾体验出这部分的加速、刹车的润滑程度。日常使用中，车辆的运行顺滑程度，刹车的灵敏程度，使用者都可以体验出来，有问题及时维护。但运行效率不能通过试乘、试驾和日常使用得到相关数据。细心的人通过经验可能估计出大约运行效率，但这只是估计没有确切数值。运行效率可以说明车辆目前健康状况。目前低速电动车不具备这个功能。

③“电控”部分给出车辆的行驶状态和内部电路连接。购买者和使用者可以通过搬动相应开关和刹车踏板检验各种灯光的好坏，目测检查电缆的连接情况。

④“电池”部分是纯电动车辆提供动力和能量的唯一来源。电池容量SOH和运行效率决定了车辆的行驶里程。电池的剩余容量SOC决定了车辆还能行驶的距离。电池的质量决定了电池的使用时间（寿命）。仔细合理的使用（例如：不过充、过放）可以大大延长电池的使用寿命。

3  电池SOH、电池SOC计算难度

燃油车油箱体积与电池组SOH之间又有不同，燃油车油箱体积出厂以后就固定不变了，而电池组SOH会随着时间、温度、负载率、电池组老化等改变是变化，把电池组SOH比同燃油车油箱，油箱不随时间而变化，从这点来讲，两者又不完全相同，电池组SOH可以比作是一个体积随时间变化的油箱。

这样问题就来了，为什么电池组SOH是时间函数？可不可以不是时间的函数？回答是否定的，为什么？因为在实验室温度可以保持不变，恒电流可以使负载率保持不变，但做不到电池组老化保持不变，电池组在使用过程中，不可能保持温度恒定、电流恒定，使用恒温、恒流获得电池SOH也没有意义。

电池SOH是一个什么样的时间函数？它与哪些主要因素有关？电池生产者和使用者都知道，温度、负载率、电池老化随着时间的变化，春、夏、秋、冬四季温度变化很大，在地球温带，温差也有至少40℃。受目前电池技术的局限，电池特性、电池活性、蓄电能力均受温度影响很大，室外温度30℃和-10℃的电池SOH可以相差将近1倍，室外温度30℃时100Ah的电池SOH可能是120多Ah，-10℃时的电池SOH只有60多Ah。负载率变化对电池組SOH也有影响，负载率越大电池SOH越小，负载率越小电池SOH越大。电池组如果安装在电动车上，电动踏板变化快慢、载人多少、载货多少、车速快慢、上坡、下坡、逆风、顺风等因素，都会产生不同的负载率。电池组使用一段时间，电池组会老化、容量衰减，都会增加电池SOH计算带来的不确定度。电池组老化没有统一的规律，各个电池组老化不尽相同，与电池组的使用者有很大关系，按标准规范使用的电池组老化衰减慢一些，不按标准规范使用的电池组老化衰减快一些，经常使用的电池组老化衰减慢一些，长期放置不用的电池组老化衰减快一些。因此电池组SOH是一个多变量，老化衰减函数无法用物理手段获得，计算非常困难。

4  目前国内外电池SOH、电池SOC的现状

目前国内外使用的电池SOH主要计算方法，有库伦计数法+OCV（开路电压），就是对放电、充电电流进行精确累加，再用开路电压进行修正和温度补偿+衰减修正。还有卡尔曼滤波算法等。这些算法都需要建立一个数学模型，有温度曲线补偿变量、电流变量、衰减模型变量等，通过对各个变量在线测量，获得数值带入数学模型进行计算。例如温度变量，做温度对电池影响曲线函数，需要将温度细分成很多点，逐一做出全量程电池SOH曲线，耗费了大量人力、物力和时间，只做出了温度一元函数关系，而且还是离散的，没有考虑到负载率、老化衰减等其他变量的影响。由于电池组的差异，一组被实验电池组得出的温度-电池SOH关系曲线，与其他电池组的温度-电池SOH关系曲线不完全一致，只能近似代替其他电池组曲线，近似同类、同种、同型号电池，当更换电池型号时必须进行重新测试，使用起来非常复杂，测量不确定度很大。温度曲线是间断、不连续、近似的，与负载率、电池老化的关系是近似值，得到的电池SOH不可靠，稳定性、重复性、动态准确性都比较差，有关电池SOH的相关文献很多，请读者自行查看，这里就不多说了。

5  介绍一种使用新型数学模型、稳定性、重复性好，自适应、自学习、动态电池SOH计算系统

这种系统测量电池SOH、电池SOC与目前电池SOH、电池SOC的区别和先进性：

首先新系统在估算电池组SOH时，不需要繁杂的温度补偿模型，它可以根据电池组的电流、电压状态，求得电池组在这个温度下的内在特性。

根据负载率变化求得电池组在这个温度下内在特性，再根据电池老化衰减，在这个温度、负载率状态下的内在特性，从而计算出电池组当前的电池SOH和电池SOC。

在电池SOH计算模型中没有温度这个变量，不需要温度传感器测量温度来补偿电池SOH的算法。下面是某组电池一年4季不加温度变量，获得的温度与电池SOH变化曲线（如图1所示）。

图中：纵坐标是电池SOH（单位Ah）和温度（单位℃）;横坐标是时间t。

从图1可以看出，2017.12～2019.1，某品牌72V32Ah电池组，动态（车载路跑）实测获得的冬、春、夏、秋、冬一年四季温度变化导致电池SOH变化的关系曲线，温度变化对电池组SOH的影响非常明显，没有使用温度传感器的电池SOH是准确的，同时包含了负载率变化和电池老化的因素。

这种全新电池SOH数学模型计算系统，突破现有电池SOH估算框架思路，具有稳定性、重复性好、自学习、自适应、自动跟踪智能检测功能，经过一年多的车载路跑测试，行驶总里程12900多公里，总放电310kWh，证明它能适应复杂路况和各种驾驶习惯，由于条件限制只在山东地区实验，一年四季不同温度环境下，能正确计算出电池组的SOH，为电池SOH计算增加了一个新方法，为电动车电池SOH检测，显示准确数据提供了一套有力工具。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.GB/T2900.41-2008/IEC 60050（482）：2003，电工术语 原电池和蓄电池[S].

[2]中华人民共和国国家标准.GB13337-1-1991，固定型防酸式铅酸蓄电池技术条件[S].

[3]GB/T13639-1992，工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪表.

[4]GB/T17626-1998，电磁兼容试验和测量技术[S].