一文詳解SOC、SOH、DOD、SOE

一 前言

根據(jù)前一期文章中，某位讀者朋友提出的一些意見，本期想說下本人對(duì)動(dòng)力電池中不同狀態(tài)的理解。

動(dòng)力電池荷電狀態(tài)，State of Charge簡(jiǎn)稱SOC；

動(dòng)力電池健康狀態(tài)，State of Health簡(jiǎn)稱SOH；

電池包放電深度，Depth of discharge簡(jiǎn)稱DOD；

電池剩余能量，Stete of Energy簡(jiǎn)稱SOE。

二、電池荷電量SOC

電池荷電狀態(tài)，指的是電池中剩余的電荷的可用狀態(tài)，常用以下式子定義，

Q額定為電池的額定電荷容量，Q剩余為電池中剩余的電荷余量。

如果認(rèn)為Q額定是一個(gè)固定不變的值，也就是認(rèn)為剩余的電荷余量總是等于額定容量減去已釋放的荷電量的話，則SOC可以用以下式子表示，

Q放電表示最近一次充滿電后，電池已經(jīng)放掉的電荷量。

剩余電量評(píng)估是BMS中最為重要的功能之一，系統(tǒng)中其他很多功能是依賴于剩余電量評(píng)估的結(jié)果的。個(gè)人認(rèn)為如果要正確理解剩余電量的概念，需要注意以下問題：

1、額定容量Q額定與實(shí)際最大電荷容量Qtrue是有一定區(qū)別的，不同廠家給出的實(shí)際最大容量可能是115Ah，也可能是105Ah，但額定容量設(shè)定為100Ah，他們實(shí)際放出的電荷量和額定容量是不相等的（這也是為什么同樣電池容量的車，有的車覺得掉電慢有的覺得掉電快），另外隨著電池的老化，電池實(shí)際能放出的最大電荷量也是在不斷變小。

因此求的SOC值中的分母應(yīng)該盡可能選用最大電荷容量來選擇，并且需要經(jīng)常性的對(duì)電池最大容量值進(jìn)行校準(zhǔn)（這也是為什么需要專業(yè)人士來對(duì)電池Pack維護(hù)的原因）；

其次若無法獲取到最大荷電容量，則使用額定容量，此時(shí)SOC值可能出現(xiàn)大于100%的情況，這完全是有可能的。

2、剩余電荷量受多種因素的影響，是不能完全釋放的。

在前幾年日常生活中使用手機(jī)，手機(jī)在低電量報(bào)警狀態(tài)下，一打電話就立馬關(guān)機(jī)，但重新開機(jī)后又可以繼續(xù)待機(jī)幾小時(shí)；

類推到電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池在某時(shí)刻所剩電量是一定的，但并不一定能完全以電動(dòng)汽車所需功率釋放而出，這說明電池Pack并非沒有剩余電荷，而是剩余電荷不能按照需求以較大電流釋放，事實(shí)上也是充滿電的電池電荷所能放出的最大值是受放電倍率、環(huán)境溫度等影響，而非恒定值。

3、以放電荷量Q放電測(cè)量不一定是準(zhǔn)確的，實(shí)際使用中，放電一段時(shí)間在進(jìn)行充電，未充滿就繼續(xù)使用，此時(shí)式2的計(jì)量就是失去了意義。

三、電池健康狀態(tài)SOH

鋰離子動(dòng)力電池工作原理-當(dāng)電池充電時(shí)，在電池內(nèi)部，正極的鋰金屬氧化物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鋰離子，這些鋰離子以有機(jī)電解質(zhì)為載體，穿過隔膜，移動(dòng)到負(fù)極，

而負(fù)極石墨的呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子可以嵌入到微孔內(nèi)，嵌入的鋰離子的數(shù)量越多，充電容量越高。

由于電池在充電過程中內(nèi)部正極鋰離子的減少，負(fù)極鋰離子的增加，在電池外部表現(xiàn)為正常的端電壓升高。

電池放電時(shí)其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)相反，鋰離子從負(fù)極中脫嵌，回到正極與鋰金屬化合物結(jié)合，正極的鋰離子數(shù)量增加，負(fù)極的相應(yīng)減少，使電池能量下降，在外部表現(xiàn)為電池的端電壓降低。

隨著隨著動(dòng)力電池的反復(fù)充放電使用，其內(nèi)部電極活性材料及存量鋰離子不斷消耗和損失，造成其容量、充放電功率等性能不斷衰退，電池逐漸老化，直至達(dá)到壽命的終點(diǎn)。

衡量電池的壽命可以分為循環(huán)壽命和時(shí)間壽命；

電池的一次充放電過程成為一個(gè)循環(huán)，電池被制造出來開始到不再使用為止，期間所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)，成為循環(huán)壽命，

它與電池本身的制造工藝有關(guān)，也與整個(gè)生命周期中的充放電深度、倍率，溫度等工作條件有很大關(guān)系（該種計(jì)量方法，若將電池裝在混動(dòng)車型上，短短幾分鐘內(nèi)電池可能經(jīng)歷過許多個(gè)充放電周期，這種工作條件，若要統(tǒng)計(jì)循環(huán)壽命，也許僅僅幾天就達(dá)到換電池的標(biāo)準(zhǔn)）；

一個(gè)電池被生產(chǎn)出來的日子到不再使用為期間所經(jīng)歷的天數(shù)，成為電池的時(shí)間壽命，同一批次電池，部分如果暴力使用且不維護(hù)，部分按照最優(yōu)壽命的策略來使用并經(jīng)常性維護(hù)，它們的壽命天差地別。

電池從使用開始性能將逐步下降，這是一個(gè)不可逆的過程，所以電池的劣化程度越高，越接近于壽命的終點(diǎn)。

電池偶爾也會(huì)出現(xiàn)“猝死”的情況，昨天對(duì)電池容量測(cè)評(píng)剩余容量還有90%，今天突然在惡劣的情況下使用，部分鋰離子在低溫狀態(tài)下結(jié)晶刺穿隔膜，剩余容量快速下降電池報(bào)廢。

有部分文獻(xiàn)將容量衰減與直流內(nèi)阻譜作為電池健康的狀態(tài)的指標(biāo)，個(gè)人認(rèn)為是相對(duì)準(zhǔn)確的，

對(duì)于SOH的概念，“當(dāng)前的電池容量”是一個(gè)應(yīng)用較廣的，被公認(rèn)最能體現(xiàn)動(dòng)力電池劣化的外特性評(píng)指標(biāo)。

IEEE 1188 - 2005 標(biāo)準(zhǔn)和 USABC 也共同建議以“電池的容量” 作為衡量動(dòng)力電池的劣化程度參數(shù)，具體使用容量衰減表示，可定義為,

四、電池Pack放電深度DOD

如果把電池從完全放空到完全充滿的過程中SOC的變化為記為0~100%，

則在實(shí)際應(yīng)用中，最好讓每個(gè)電池都工作在5%~95%的區(qū)間。低于5%可能會(huì)過放高于95%可能會(huì)過充，從而發(fā)生一些不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)從而影響電池壽命。

同時(shí)在某些時(shí)刻且大部分時(shí)刻中，電動(dòng)汽車電池組內(nèi)的每個(gè)電池的容量以及剩余電量是有必然存在不一致的，主要原因有，

1、電池制造過程中定會(huì)存在不一致性，

作為化工產(chǎn)品，受材料、工藝等因素的制約，單體電池天生就會(huì)不一致，不同批次的電池原材料可能導(dǎo)致電池材料的化學(xué)特性存在不一致；

即使同批次原材料，由于研磨、攪拌、噴涂工藝的原因，也可能導(dǎo)致電極材料的顆粒大小、導(dǎo)電性不一致，在電極附近形成的SEI膜也具有一定隨機(jī)性導(dǎo)致電池不一致,,,,,,

只能在配組過程中，盡可能挑選電壓、容量相近的電池組成模組。

2、工作環(huán)境的不同也是導(dǎo)致電池不一致的重要因素之一

就算單電池一致，在不同外部工作環(huán)境下發(fā)揮出的性能也會(huì)有區(qū)別，從而更加促發(fā)不一致性的發(fā)生（在電池Pack內(nèi)的熱傳導(dǎo)以及空氣對(duì)流、散熱條件不可能均勻發(fā)生在每一片電池上），

內(nèi)部由于化學(xué)反應(yīng)以及極化內(nèi)阻條件等，不可避免存在吸熱放熱效應(yīng)，使得電池包內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布不均勻。

所以不均勻性可能導(dǎo)致電池的不一致性，電池的不一致性也會(huì)加劇整體不均勻性。

適當(dāng)減少動(dòng)力電池的充放電深度（在電池Pack未達(dá)到報(bào)廢而不同單體一致性差距又較大時(shí)）是可以提高電池的安全性、延長(zhǎng)電池壽命的，

若在此過程中，增加主動(dòng)或被動(dòng)均衡，可以提高安全性、延長(zhǎng)壽命的同時(shí)更多的保留電池的性能（是有大量的理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明的）。

因此電池Pack自均衡或者交由專業(yè)人士進(jìn)行維護(hù)（包括必要的降低放電深度DOD，降低輸出能量）是重要的，不僅可以提高動(dòng)力電池組的整體有效能量，還可以一定程度延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的使用壽命。

有效的均衡控制策略制定與實(shí)施是相對(duì)比較困難的，（單純以電池電壓作為均衡依據(jù)是有偏差的，即認(rèn)為電壓較高電池放出電荷，電壓較低的電池補(bǔ)充電荷是不準(zhǔn)確的，應(yīng)以電池剩余電量或SOC未判斷依據(jù)，電壓檢測(cè)是簡(jiǎn)單的，而準(zhǔn)確的電池剩余電量或SOC統(tǒng)計(jì)是非常困難的）

由前文可知電池剩余容量受限于電動(dòng)汽車頻繁充放電過程、電池老化SOH等因素是沒辦法很好得出的；

每個(gè)電池的SOC準(zhǔn)確估算也是比較困難。

即使準(zhǔn)確知道了電池SOC值與剩余容量，在電池Pack中串聯(lián)的N多電池中將電量多的單體電池電量轉(zhuǎn)移到電量低的單體電池，在成本空間等制約因素下也是不易實(shí)現(xiàn)的（若制定較差的均衡策略可能會(huì)出現(xiàn)越均衡越不均衡的情況）。

五、剩余能量SOE

在電動(dòng)汽車中，續(xù)使（剩余）里程的估算、剩余能量E剩余的估算以及剩余能量的百分比SOE估算被認(rèn)為與剩余電量的評(píng)估是等價(jià)的，這種等價(jià)法是不正確的。

剩余電量一定的情況下，電池所帶的化學(xué)能量是一定的，然而與電動(dòng)車?yán)m(xù)使里程相關(guān)的并非僅僅是動(dòng)力電池的剩余電量，而是電池Pack所能對(duì)外輸出的能量。

在電池能量剩余相同的情況下，若以不同大小電流放電，單電池所能對(duì)外的能量是不同的。

將電動(dòng)汽車近似為一個(gè)等效電路，虛線內(nèi)表示電池Pack包，RL表示為車輛行駛過程中的等效負(fù)載。

假設(shè)外界溫度不變的前提，圖中r的大小是保持不變的，在兩次工作過程中因?yàn)樨?fù)載的不同導(dǎo)致電池的放電電流不一致，記為I1和I2，消耗的能量為I12r和I22r，

在電池化學(xué)能量相同情況下，消耗在內(nèi)阻上的能量是不一樣的，電流大的內(nèi)阻消耗肯定會(huì)大一些，因此釋放的能量就要少一些。

同理若電流不變，而溫度發(fā)生變化，內(nèi)阻也隨著發(fā)生變化，消耗在內(nèi)阻上的能量亦是不明確的，電池對(duì)外放出的能量也是不確定的電力，

以上例子說明剩余能量是與剩余里程相關(guān)的。

可得的結(jié)論是，電池Pack所能釋放的最大能量是隨著電池工況（電動(dòng)汽車面臨加速上坡等等不同情況）及外界條件（溫度、濕度等等）變化而發(fā)生變化的，

但電池Pack所能釋放的最大電荷數(shù)量是確定的，不隨將來的工況而變化。類比燃油車，油箱中油量是確認(rèn)的有多少的，但是能行駛具體多少里程是需要根據(jù)當(dāng)時(shí)處于工況和天氣等條件來決定。