新能源汽车电子系统设计之SOC使用范围的选择

 

荷电状态 SOC（State of Charge）,在《电池手册Handbook of Batteries, 3rd Edition》中的定义为：

SOC=Q1/Q0 =电池可用容量/电池额定容量，电池可用容量和额定容量的百分比．

动力电池系统的SOC需要实现实时在线估算,因此电池的剩余容量多利用车载状态较容易测量的电流、时间、电压和内阻等参数输入预设的模型和算法中进行估算得到。

注：目前的SOC定义是针对电池单体,对于电池系统目前还没有较统一的定义，实际使用过程中，较简单的办法是将电池组等效为电池单体。为确保电池的安全性，常选用电池组中最差电池单体的SOC来表征电池组的SOC。

实际的BMS里面，一般对电池的实际容量，可用容量都要进行估算，特别是随着寿命进行变化的过程，Trick是一个BMS会有循环次数和过往数据进行辅助处理。

汽车电子电池系统设计过程中,SOC使用范围的选择对电池系统的以下几方面有重大影响。

1）安全性

安全性是系统设计首先考虑的因素

混合动力的电池系统通常SOC区间一般会在中间部分,大多会在30%-80%，这样出现过充和过放问题的可能性较小。

注：现在的混合动力，往插电式的演进快速前进，电池大一些带来的成本问题，由于补贴、拍照和油耗积分等因素一下子局面反转了；因此当电动续航里程的强制要求下，上下限的SOC范围往往进一步被拉宽，带来的安全风险，容以后细表。

2）整车&电池性能

电池系统的峰值充放电功率的需求选择SOC的使用范围(此处暂且不考虑冷启动的需求影响和传递效率问题）

    1、电机及电机控制器等负载的峰值放电功率要求 Pdis_max≥ Pl_peak，保证在其SOC使用范围内电池组的峰值放电功率应大于负载的最大功率需求。

    2、能量回馈过程的峰值充电功率要求 Pcha_max≥ Pr_peak ，为了尽可能多的接受回收的能量,应满足所设定的峰值充电功率要求

    3、峰值充放电功率所对应的持续时间

    4、电池系统在其SOC范围内必须满足负载的峰值功率要求。

 

对某电池系统建立SOC与其充放电10秒峰值功率的关系图，据充放电功率的要求，只有SOC在20%~50%才能满足系统所需的功率要求

SOC控制区间的选择还要根据整车工况能量需求确定

Step 1 梳理整车需求，爬坡、加速等
Step 2 计算最低可用能量
Step 3 筛选待选方案，选择不同规格的电池系统进行模拟仿真
Step 4 分析针对不同电源系统产生的油耗情况=>决定电池系统的最低可用能量
Step 5 依据动力系统的电压平台=>选择适当的总能量与SOC使用范围

注：这个电压平台的事情，是综合考虑的，我曾问一位美国的工程师，丰田用DC-DC提升电压，为啥我们不用？他言及是部分人的想法，不想那个IGBT热应力导致很多车召回。真要做决策做系统分析，最重要的还是拿出更多的评测数据，然后进行分类和整理。

SOC使用范围的选择应考虑系统效率的最优区间

电池系统，能量分别分配到电池系统内部阻抗和外界负载上，输出效率取决于电池系统内阻。

电池在混合动力模式下用于功率调峰，应当经常工作在内阻较低的SOC范围内。

 

 
上图为某款三元锂离子电池应用HPPC测试方法测得电池不同SOC下的功率分布，在SOC中间区域内阻较小，此区域内对外输出效率较高。

效率是考核电池系统的重要指标，对整车来说系统能量效率越高越好。

根据整车的应用工况，测试不同SOC范围内的能量效率，确定最大的能量效率下的SOC应用范围。

通常充电和放电电压最平稳的阶段就是能量效率最好的区间=>充电或者放电电压不会有较大的变化能量效率最稳定，且较高。

     ·计算方法为：电压平台区，电压对时间求导得到倒数绝对值较小的区域。不同的SOC区间，电池系统内各电池单体的一致性不同 =>尽量选择一致性较高区域，来保证较高的系统输出效率

     ·SOC较高和较低的区域的电池参数的偏差较高

     ·中间区域的一致性偏差较低

针对四个电池模组进行电压极差检测，电池在40%~80%的区域极差较小，电池一致性较高。

注：这块内容，用广义的来看，就是燃油经济性的系统性分析，电能损耗直接反映出来的就是油耗水平。

3) 电池系统寿命

对于电池系统而言，不同的SOC的使用区间对应不同的系统寿命。系统SOC区间越大，寿命越小，其循环寿命基本符合指数增长。但是如果单方面为了增长系统寿命而加大电池系统的能量,来减小SOC使用区间，对于系统成本和系统布置都会产生不利影响.

考虑电池系统的成本接受程度=＞成本变化对整车成本是个非常敏感的因素。

相同的SOC使用区间，但是起始点不同的话，即同样的DOD（depth of discharge 电池放电深度）范围，相同SOC使用区间情况下的其系统寿命也存在差异。

 

此处考察点就是对SOC均值的影响，在同样的△SOC=20情况下，针对不同的SOC均值（35%，45%，55%）的吞吐量与SOC的关系可以发现，均值越小，其寿命越长。

４）其他考虑因素

SOC使用区间的选择中还需要考虑

1、容量方面的需
2、电池系统老化
3、BMS检测误差的影响等因素

总而言之，SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素，并且以上因素可能相互制约，只有在这些因素中找到平衡点，才可以获得的SOC使用区间的最佳方案。