動(dòng)力電池系統(tǒng)SOC可用范圍，需要“精打細(xì)算”

曾經(jīng)記得有這么一個(gè)數(shù)據(jù)，如果在SOC計(jì)算中，有5%的不確定性，哪么電池組的尺寸必須增大5%，導(dǎo)致電池成本顯著增大。假如，給一個(gè)16KWh電池組增加5%的容量，需要增加300美元(當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù))。如果按今天的價(jià)格估算，也在800~1000元人民幣，同樣也是一筆可觀(guān)的成本投入。

我們對(duì)比一下國(guó)內(nèi)外電池參數(shù)的表達(dá)形式，差距可窺一斑。在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品電池系統(tǒng)參數(shù)表中，經(jīng)?？梢钥吹絊OC下限15% 或者20%，這幾乎變成了所有鋰離子電池共性的下限臺(tái)階，看不出所選電芯的特有屬性。我們?cè)倩仡^看看leaf早期產(chǎn)品參數(shù)的表達(dá)：下限報(bào)警SOC值是16.25%。我們拋開(kāi)數(shù)據(jù)背后的測(cè)試手段，僅從表達(dá)的精度方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)輸了一籌。這種對(duì)電池系統(tǒng)粗獷的需求模式，同樣折射到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。隨著退補(bǔ)的臨近，成本矛盾日漸突出，成本問(wèn)題會(huì)變得更加重要，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)更需精打細(xì)算。

剖析SOC可用范圍，由多個(gè)因素決定。如果僅從表面上看，把確定SOC范圍大小的責(zé)任歸咎于BMS管理水平的高低,有失公允。好的BMS估算精度，也需要更完整的電池參數(shù)做支撐。俗話(huà)說(shuō)，好馬也得配上好鞍。

首先明確兩個(gè)概念:什么是SOC可用范圍?放電深度?

根據(jù)GBT19596中定義(T=25℃、先從荷電狀態(tài)引入)：

荷電狀態(tài)(SOC): “當(dāng)前蓄電池中按照規(guī)定放電條件可以釋放的容量占可用容量的百分比。”SOC狀態(tài)范圍百分比一般是從0%到100%。但是，考慮到化學(xué)電池反應(yīng)特性：閥值邊界，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)差異、倍率差異、估值精度差異等，SOC估值需要留出緩沖區(qū)間，以確保電池時(shí)時(shí)刻刻工作在安全區(qū)域。

SOC可用范圍：SOC范圍減掉SOC的緩沖區(qū)域，剩下的部分，就是SOC可用范圍了。如附圖一所示，c-d區(qū)間，15%~95% 可用范圍。

放電深度DOD：“表示蓄電池放電狀態(tài)的參數(shù)，等于實(shí)際放電容量，與可用容量的百分比。”數(shù)值上的關(guān)系：SOC=1-DOD。DOD更多是體現(xiàn)當(dāng)前電池能力，是可放電深度的度量。例如，在表達(dá)電池壽命時(shí)，經(jīng)常作為一個(gè)前置參數(shù)，1C/1C DOD 80%,3000 cycles。

附圖一，借用全球知名品牌電池參數(shù)示意，SOC范圍、 SOC可用范圍，電池閥值范圍、安全范圍之間的包含關(guān)系。

圖一

SOC可用范圍精準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)因素：首先是電池參數(shù)的完整性和準(zhǔn)確性

因?yàn)殇囯x子電池是化學(xué)產(chǎn)品，其能量形式是化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，充放電曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的。其中，容量、能量、功率受環(huán)境溫度、溫升速率、電流倍率、SOC狀態(tài)等因素影響很大。

如果完成精準(zhǔn)電池性能測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過(guò)程是非常耗時(shí)、耗力。很多廠(chǎng)家為了應(yīng)對(duì)快速的市場(chǎng)需求或補(bǔ)貼政策，人為的加快推出產(chǎn)品，一邊測(cè)試一邊賣(mài)產(chǎn)品，這種做法給電池的工程化應(yīng)用埋下隱患。

產(chǎn)品測(cè)試時(shí)間漫長(zhǎng)原因體現(xiàn)在每個(gè)環(huán)節(jié)。僅標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)或者工況循環(huán)一項(xiàng)，都在3~6個(gè)月，這還只是電池產(chǎn)品本身因素，如果結(jié)合設(shè)備狀態(tài)，時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。目前僅電芯的安全測(cè)試，就不少于12項(xiàng)之多，系統(tǒng)功能測(cè)試也在16項(xiàng)以上，還有常規(guī)功能、性能測(cè)試，如果再迭加不同溫度下SOC，測(cè)試工作量是非常龐大的?？上攵?，一款定型的活性材料配方，到合格產(chǎn)品的推出，產(chǎn)品成熟周期需要多么漫長(zhǎng)的時(shí)間。

電池參數(shù)的完整性，有賴(lài)于對(duì)電芯個(gè)體的充分、多樣品測(cè)試。通常情況下，基于需求提出的電池參數(shù)模型，是電池參數(shù)多維度下的狀態(tài)關(guān)系，是全方位電池的評(píng)測(cè)，這也是產(chǎn)品應(yīng)該具備的參數(shù)標(biāo)簽。

從附圖測(cè)試來(lái)看，一般也是分幾步進(jìn)行的，首先測(cè)試其基本功能，對(duì)滿(mǎn)足使用的數(shù)據(jù)優(yōu)先測(cè)試，類(lèi)似于脈譜圖的網(wǎng)格的由大到小。例如，SOC 測(cè)試臺(tái)階，以5%或10%步進(jìn)。如果面對(duì)測(cè)試精度要求更高的區(qū)間，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)于重點(diǎn)區(qū)段需要重點(diǎn)測(cè)試，在電池充放電曲線(xiàn)兩端、低溫功率狀態(tài)等等

上述闡述，更多的是針對(duì)電芯個(gè)體，如果站在系統(tǒng)角度，在熱、一致性、功率、能量方面更加敏感，測(cè)試工作的難度也會(huì)相應(yīng)增加。

另外，更重要的一點(diǎn)，就是測(cè)試設(shè)備的穩(wěn)定性和精度。目前，很多廠(chǎng)家，在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的測(cè)試，仍然選擇了昂貴的進(jìn)口設(shè)備。這是為什么呢，主要是為了對(duì)測(cè)試的精度、穩(wěn)定性保障?？上驳氖?，近些年來(lái)，現(xiàn)狀有所改變。國(guó)內(nèi)測(cè)試設(shè)備廠(chǎng)家，潛心修練和成長(zhǎng)，象星云科技等一大批優(yōu)秀廠(chǎng)家推出的測(cè)試設(shè)備，不僅可以和國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品媲美，還有更接地氣的價(jià)格和周到的售后服務(wù)，取得了不錯(cuò)的口碑和認(rèn)可度。

其次，是BMS 算法的正確和精度。我們提到最多的BMS算法精度，是針對(duì)電池系統(tǒng)的要求而提出的。對(duì)于優(yōu)化SOC可用范圍這個(gè)問(wèn)題，單方面從BMS入手，是不完全正確的。如上面所述，電池參數(shù)的完整性也是重要的因素。巧婦難為無(wú)米之炊，BMS在缺失數(shù)據(jù)面前是膽怯的。

在提到SOC算法，出現(xiàn)最多的詞是“估算”，電壓“Approx”。這與SOC精度要求并不矛盾。因?yàn)殡娦颈旧硖匦裕?ldquo;當(dāng)前狀態(tài)”確實(shí)是隨著時(shí)間長(zhǎng)度、溫度、C值大小而變化的。例如，SOC 5%, Valus Status Approx. 3200-3400mV。動(dòng)態(tài)的電壓和OCV值、靜態(tài)擱置時(shí)長(zhǎng)，都有一定的差異。這也恰恰是算法策略的難點(diǎn)和魅力所在。

當(dāng)然了，如果對(duì)于儀表的顯示，考慮與用戶(hù)友好性，通過(guò)建立與后臺(tái)真實(shí)的SOC對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以認(rèn)為是面對(duì)用戶(hù)的SOC值。

SOC估算精度，在不同的工況條件下是不同的。通常情況下，我們對(duì)BMS會(huì)提出要求，SOC精度達(dá)到或小于5%，其實(shí)，對(duì)于BMS工程的理解是，這個(gè)精度代表著最大誤差，而不是唯一的。

SOC 可用范圍通過(guò)精準(zhǔn)細(xì)致的策略控制、精確的數(shù)值，確定下限值

綜合分析，SOC可用范圍優(yōu)化，就是確定電池不同條件、工況下的下限值。電池上限的緩存區(qū)間很小，可以挖掘的空間不大。上限的緩存主要是在充電安全方面，保證不過(guò)充為目的?？斐鋾r(shí)，充到SOC80%;慢充時(shí)，依靠涓流小電流充電，可以達(dá)到95%以上。電池下限值，主要是考慮放電工況，放電電流的變化能力，會(huì)影響動(dòng)力輸出或駕乘感受。同時(shí)，其緩存的寬度還是很大的。

舉例說(shuō)明一下下限值的確定和工況的關(guān)系：

VOLT有個(gè)最佳壽命安全窗口(58~65%)，是其策略中較為重要的部分。該窗口根據(jù)不同的工況模式，SOC下限數(shù)值也是不同的。正常工況模式下，下限值設(shè)定為SOC=30%;山路工況模式，下限設(shè)定為SOC=45%。這個(gè)道理，是容易理解的，當(dāng)山路模式下，放電或充電(能量回收)的C值變化是很大的，為了防止瞬間的過(guò)放(欠壓)，過(guò)充(過(guò)壓)，通過(guò)設(shè)定限值電壓達(dá)到電池的安全狀態(tài)。

EV和HEV SOC可用范圍的差異性

因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)在EV和HEV所承擔(dān)的任務(wù)和角色的不同，決定了C值需求的不同。EV強(qiáng)調(diào)的是，大的續(xù)駛里程;HEV或PHEV強(qiáng)調(diào)的動(dòng)力性功率混合能力，包括大電流的能量回收能力。使用功能的差異性，也決定了其限值的不同。

同時(shí)，HEV或PHEV C值較高，自然也會(huì)影響電池的使用壽命。所以，窗口或限值，也需要考慮壽命因素。如下表所示，電池放電深度對(duì)壽命的影響是非常大的。

Cycle

1C/1C, 80% , DOD 25℃

3000 cycles

1C/1C, 100% , DOD 45℃

1680 cycles