鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1015次 | 2021年05月11日
一個(gè)典型的動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)什么功能？
電池管理系統(tǒng)，BMS（BatteryManagementSystem），是電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的重要組成。它一方面檢測(cè)收集并初步計(jì)算電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)檢測(cè)值與允許值的比較關(guān)系控制供電回路的通斷；另一方面，將采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上報(bào)給整車控制器，并接收控制器的指令，與車輛上的其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。電池管理系統(tǒng)，不同電芯類型，對(duì)管理系統(tǒng)的要求往往并不相同。
1簡(jiǎn)介
電動(dòng)汽車用鋰離子電池容量大、串并聯(lián)節(jié)數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，加之安全性、耐久性、動(dòng)力性等性能要求高、實(shí)現(xiàn)難度大，因此成為影響電動(dòng)汽車推廣普及的瓶頸。鋰離子電池安全工作區(qū)域受到溫度、電壓窗口限制，超過該窗口的范圍，電池性能就會(huì)加速衰減，甚至發(fā)生安全問題。目前，大部分車用鋰離子電池，要求的可靠工作溫度為，放電時(shí)-20~55C，充電時(shí)0~45C（對(duì)石墨負(fù)極），而關(guān)于負(fù)極LTO充電時(shí)最低溫度為-30C；工作電壓一般為1.5~4.2V左右（關(guān)于LiCoO2/C、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/C、LiCoxNiyMnzO2/C以及LiMn2O4/C等材料體系約2.5~4.2V，關(guān)于LiMn2O4/Li4Ti5O12材料體系約1.5~2.7V，關(guān)于LiFePO4/C材料體系約2.0~3.7V）。
溫度對(duì)鋰離子電池性能尤其安全性具有決定性的影響，根據(jù)電極材料類型的不同，鋰離子電池（C/LiMn2O4，C/LMO，C/LiCoxNiyMnzO2，C/NCM，C/LiFePO4，C/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，C/NCA）典型的工作溫度如下：放電在-20-55℃，充電在0-45℃；負(fù)極材料為L(zhǎng)i4Ti5O12或者LTO時(shí)，最低充電溫度往往可以達(dá)到-30℃。
當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)給電池的壽命造成不利影響。當(dāng)溫度高至一定程度，則可能造成安全問題。如圖所示圖1中，當(dāng)溫度為90~120℃時(shí)，SEI膜將開始放熱分解[1~3]，而一些電解質(zhì)體系會(huì)在較低溫度下分解約69℃[4]。當(dāng)溫度超過120℃，SEI膜分解后無法保護(hù)負(fù)碳電極，使得負(fù)極與有機(jī)電解質(zhì)直接反應(yīng)，出現(xiàn)可燃?xì)怏w將[3]。當(dāng)溫度為130℃，隔膜將開始熔化并關(guān)閉離子通道，使得電池的正負(fù)極暫時(shí)沒有電流流動(dòng)[5,6]。當(dāng)溫度升高時(shí)，正極材料開始分解（LiCoO2開始分解約在150℃[7]，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在約160℃[8,9]，LiNixCoyMnzO2在約210℃[8]，LiMn2O4在約265℃[1]，LiFePO4在約310℃[7]）并出現(xiàn)氧氣。當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，電解液會(huì)分解并出現(xiàn)可燃性氣體[3]，并且與由正極的分解出現(xiàn)的氧氣劇烈反應(yīng)[9]，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。在0℃以下充電，會(huì)造成鋰金屬在負(fù)極表面形成電鍍層，這會(huì)減少電池的循環(huán)壽命。[10]
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
過低的電壓或者過放電，會(huì)導(dǎo)致電解液分解并出現(xiàn)可燃?xì)怏w進(jìn)而導(dǎo)致潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。過高的電壓或者過充電，可能導(dǎo)致正極材料失去活性，并出現(xiàn)大量的熱；普通電解質(zhì)在電壓高于4.5V時(shí)會(huì)分解[12]
為了解決這些問題，人們?cè)噲D開發(fā)能夠在非常惡劣的情況下進(jìn)行工作的新電池系統(tǒng)，另一方面，目前商業(yè)化鋰離子電池必須連接管理系統(tǒng)，使鋰離子電池可以得到有效的控制和管理，每個(gè)單電池都在適當(dāng)?shù)臈l件下工作，充分保證電池的安全性、耐久性和動(dòng)力性。
2電池管理系統(tǒng)含義
電池管理系統(tǒng)的重要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，可以分解成如下三個(gè)方面：
1）安全性，保護(hù)電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長(zhǎng)電池的使用壽命；
3）動(dòng)力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下。鋰離子電池的安全工作區(qū)域如圖1所示。
圖1為鋰離子電池的安全操作窗口
BMS由各類傳感器、執(zhí)行器、控制器以及信號(hào)線等組成，為滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，BMS應(yīng)該具有以下功能。
1）電池參數(shù)檢測(cè)。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(cè)（防止出現(xiàn)過充、過放甚至反極現(xiàn)象）、溫度檢測(cè)（最好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器）、煙霧探測(cè)（監(jiān)測(cè)電解液泄漏等）、絕緣檢測(cè)（監(jiān)測(cè)漏電）、碰撞檢測(cè)等。
2）電池狀態(tài)估計(jì)。包括荷電狀態(tài)（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、能量狀態(tài)（SOE）、故障及安全狀態(tài)（SOS）等。
3）在線故障診斷。包括故障檢測(cè)、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測(cè)是指通過采集到的傳感器信號(hào)，采用診斷算法診斷故障類型，并進(jìn)行早期預(yù)警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障（如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等），以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓（過充）、欠壓（過放）、過電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等。
4）電池安全控制與報(bào)警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后，通過網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器，并要求整車控制器進(jìn)行有效處理（超過一定閾值時(shí)BMS也可以切斷主回路電源），以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對(duì)電池和人身的損害。
5）充電控制。BMS中具有一個(gè)充電管理模塊，它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機(jī)的功率等級(jí)，控制充電機(jī)給電池進(jìn)行安全充電。
6）電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息，采用主動(dòng)或被動(dòng)、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量。
7）熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動(dòng)加熱/散熱的強(qiáng)度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能。
8）網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS要與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信；同時(shí)，BMS在車輛上拆卸不方便，要在不拆殼的情況下進(jìn)行在線標(biāo)定、監(jiān)控、自動(dòng)代碼生成和在線程序下載（程序更新而不拆卸產(chǎn)品）等，一般的車載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN總線技術(shù)。
9）信息存儲(chǔ)。用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等。車輛中的真實(shí)BMS可能只有上面提到的部分硬件和軟件。每個(gè)電池單元至少應(yīng)有一個(gè)電池電壓傳感器和一個(gè)溫度傳感器。關(guān)于具有幾十個(gè)電池的電池系統(tǒng)，可能只有一個(gè)BMS控制器，或者甚至將BMS功能集成到車輛的主控制器中。關(guān)于具有數(shù)百個(gè)電池單元的電池系統(tǒng)，可能有一個(gè)主控制器和多個(gè)僅管理一個(gè)電池模塊的從屬控制器。關(guān)于每個(gè)具有數(shù)十個(gè)電池單元的電池模塊，可能存在一些模塊電路接觸器和平衡模塊，并且從控制器像測(cè)量電壓和電流相同管理電池模塊，控制接觸器，均衡電池單元并與主控制器通信。根據(jù)所報(bào)告的數(shù)據(jù)，主控制器將執(zhí)行電池狀態(tài)估計(jì)，故障診斷，熱管理等。
10）電磁兼容。由于電動(dòng)汽車使用環(huán)境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時(shí)要求BMS對(duì)外輻射小。電動(dòng)汽車BMS軟硬件的基本框架如圖2所示。
3BMS的關(guān)鍵問題
盡管BMS有許多功能模塊，本文僅分析和總結(jié)其關(guān)鍵問題。目前，關(guān)鍵問題涉及電池電壓測(cè)量，數(shù)據(jù)采樣頻率同步性，電池狀態(tài)估計(jì)，電池的均勻性和均衡，和電池故障診斷的精確測(cè)量。
3.1電池電壓測(cè)量（CVM）
電池電壓測(cè)量的難點(diǎn)存在于以下幾個(gè)方面：
（1）電動(dòng)汽車的電池組有數(shù)百個(gè)電芯的串聯(lián)連接，要許多通道來測(cè)量電壓。由于被測(cè)量的電池電壓有累積電勢(shì)，而每個(gè)電池的積累電勢(shì)都不同，這使得它不可能采用單向補(bǔ)償方法消除誤差。
（2）電壓測(cè)量要高精度（特別是關(guān)于C/LiFePO4電池）。SOC估算對(duì)電池電壓精度提出了很高的要求。這里我們以C/LFP和LTO/NCM型電池為例。圖3顯示了電池C/LiFePO4和LTO/NCM的開路電壓（OCV）以及每mV電壓對(duì)應(yīng)的SOC變化。從圖中我們可以看到LTO/NCM的OCV曲線的斜率相對(duì)陡峭，且大多數(shù)SOC范圍內(nèi)，每毫伏的電壓變化對(duì)應(yīng)的最大SOC率范圍低于0.4％（除了SOC60~70％）。因此，假如電池電壓的測(cè)量精度為10mV，那么通過OCV估計(jì)方法獲得的SOC誤差低于4％。因此，關(guān)于LTO/NCM電池，電池電壓的測(cè)量精度要小于10mV。但C/LiFePO4OCV曲線的斜率相對(duì)平緩，并且在大多數(shù)范圍內(nèi)（除了SOC<40％和65~80％），每毫伏電壓的最大相應(yīng)SOC變化率達(dá)到4％。因此，電池電壓的采集精度要求很高，達(dá)到1mV左右。目前，電池電壓的大部分采集精度僅達(dá)到5mV。在文獻(xiàn)[47]和[48]中，分別總結(jié)了鋰離子電池組和燃料動(dòng)力電池組的電壓測(cè)量方法。這些方法包括電阻分壓器方法，光耦合隔離放大器方法，離散晶體管的方法[49]，分布式測(cè)量方[50]，光耦合中繼方法[51]等等。目前，電池的電壓和溫度采樣已形成芯片產(chǎn)業(yè)化，表1比較了大多數(shù)BMS所用芯片的性能。
3.2數(shù)據(jù)采樣頻率同步性
信號(hào)的采樣頻率與同步對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和處理有影響。設(shè)計(jì)BMS時(shí)，要對(duì)信號(hào)的采樣頻率和同步精度提出要求。但目前部分BMS設(shè)計(jì)過程中，對(duì)信號(hào)采樣頻率和同步?jīng)]有明確要求。電池系統(tǒng)信號(hào)有多種，同時(shí)電池管理系統(tǒng)一般為分布式，假如電流的采樣與單片電壓采樣分別在不同的電路板上；信號(hào)采集過程中，不同控制子板信號(hào)會(huì)存在同步問題，會(huì)對(duì)內(nèi)阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法出現(xiàn)影響。同一單片電壓采集子板，一般采用巡檢方法，單體電壓之間也會(huì)存在同步問題，影響不一致性分析。系統(tǒng)對(duì)不同信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣頻率和同步要求不同，對(duì)慣性大的參量要求較低，如純電動(dòng)汽車電池正常放電的溫升數(shù)量級(jí)為1℃/10min，考慮到溫度的安全監(jiān)控，同時(shí)考慮BMS溫度的精度（約為1℃），溫度的采樣間隔可定為30s（對(duì)混合動(dòng)力鋰電池，溫度采樣率要更高一些）。
電壓與電流信號(hào)變化較快，采樣頻率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知，動(dòng)力鋰電池的歐姆內(nèi)阻響應(yīng)在ms級(jí)，SEI膜離子傳輸阻力電壓響應(yīng)為10ms級(jí)，電荷轉(zhuǎn)移（雙電容效應(yīng)）響應(yīng)為1~10s級(jí)，擴(kuò)散過程響應(yīng)為min級(jí)。目前，電動(dòng)汽車加速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流從最小變化到最大的響應(yīng)時(shí)間約為0.5s，電流精度要求為1%左右，綜合考慮變載工況的情況，電流采樣頻率應(yīng)取10~200Hz。單片信息采集子板電壓通道數(shù)一般為6的倍數(shù)，目前最多為24個(gè)。一般純電動(dòng)乘用車電池由約100節(jié)電池串聯(lián)組成，單體電池信號(hào)采集要多個(gè)采集子板。為了保證電壓同步，每個(gè)采集子板中單體間的電壓采樣時(shí)間差越小越好，一個(gè)巡檢周期最好在25ms內(nèi)。子板之間的時(shí)間同步可以通過發(fā)送一幀CAN參考幀來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)更新頻率應(yīng)為10Hz以上。
后面兩天的文章中還會(huì)涉及的BMS的關(guān)鍵功能還有：電池狀態(tài)估計(jì)，包括SOC估計(jì)方法概述，SOH估計(jì)方法概述，SOF估計(jì)方法概述，電池一致性和均衡方法概述，故障診斷概述幾個(gè)部分。
上回書說到，鋰離子電池系統(tǒng)龐大，要電池管理系統(tǒng)的監(jiān)督和優(yōu)化，以維護(hù)其安全性、耐久性和動(dòng)力性。上篇中提及的BMS功能需求包括電池電壓測(cè)量、數(shù)據(jù)采樣頻率同步性。本文繼續(xù)，中篇講述溫度估計(jì)和SOC估計(jì)。預(yù)報(bào)，明天的下篇中會(huì)包括電池狀態(tài)包括SOH（健康狀態(tài)估計(jì)）、SOS（安全狀態(tài)估計(jì)）、SOF（功能狀態(tài)估計(jì)）及SOE（可用能量狀態(tài)估計(jì)）。這些功能是期望BMS具備的，但實(shí)際應(yīng)用中，出于客戶要求、車型要求以及成本等等的考慮，實(shí)際設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中的可能只是其中的幾個(gè)。
3.3電池狀態(tài)估計(jì)
電池狀態(tài)包括電池溫度、SOC（荷電狀態(tài)估計(jì)）、SOH（健康狀態(tài)估計(jì)）、SOS（安全狀態(tài)估計(jì)）、SOF（功能狀態(tài)估計(jì)）及SOE（可用能量狀態(tài)估計(jì)）。各種狀態(tài)估計(jì)之間的關(guān)系如圖4所示。電池溫度估計(jì)是其他狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)，SOC估計(jì)受到SOH的影響，SOF是由SOC、SOH、SOS以及電池溫度共同確定的，SOE則與SOC、SOH、電池溫度、未來工況有關(guān)。
3.3.1電池溫度估計(jì)
溫度對(duì)電池性能影響較大，目前一般只能測(cè)得電池表面溫度，而電池內(nèi)部溫度要使用熱模型進(jìn)行估計(jì)。常用的電池?zé)崮Ｐ桶憔S模型（集總參數(shù)模型）、一維乃至三維模型。零維模型可以大致計(jì)算電池充放電過程中的溫度變化，估計(jì)精度有限，但模型計(jì)算量小，因此可用于實(shí)時(shí)的溫度估計(jì)。一維、二維及三維模型要使用數(shù)值方法對(duì)傳熱微分方程進(jìn)行求解，對(duì)電池進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算電池的溫度場(chǎng)分布，同時(shí)還需考慮電池結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響（結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核、外殼、電解液層等）。一維模型中只考慮電池在一個(gè)方向的溫度分布，在其他方向視為均勻。二維模型考慮電池在兩個(gè)方
向的溫度分布，對(duì)圓柱形電池來說，軸向及徑向的溫度分布即可反映電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)。二維模型一般用于薄片電池的溫度分析。三維模型可以完全反映方形電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)，仿真精度較高，因而研究較多。但三維模型的計(jì)算量大，無法應(yīng)用于實(shí)時(shí)溫度估計(jì)，只能用于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。為了讓三維模型的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)應(yīng)用，研究人員利用三維模型的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，將電池產(chǎn)熱功率和內(nèi)外溫差的關(guān)系用傳遞函數(shù)表達(dá)，通過產(chǎn)熱功率和電池表面溫度估計(jì)電池內(nèi)部的溫度，具有在BMS中應(yīng)用的潛力。圖5所示為電池內(nèi)部溫度的估計(jì)流程。
一般地，鋰離子電池適宜的工作溫度為15~35℃，而電動(dòng)汽車的實(shí)際工作溫度為-30～50℃，因此必須對(duì)電池進(jìn)行熱管理，低溫時(shí)要加熱，高溫時(shí)要冷卻。熱管理包括設(shè)計(jì)與控制兩方面，其中，熱管理設(shè)計(jì)不屬于本文內(nèi)容。溫度控制是通過測(cè)溫元件測(cè)得電池組不同位置的溫度，綜合溫度分布情況，熱管理系統(tǒng)控制電路進(jìn)行散熱，熱管理的執(zhí)行部件一般有風(fēng)扇、水/油泵、制冷機(jī)等。比如，可以根據(jù)溫度范圍進(jìn)行分檔控制。Volt插電式混合動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾矸譃?種模式：主動(dòng)（制冷散熱）、被動(dòng)（風(fēng)扇散熱）和不冷卻模式，當(dāng)動(dòng)力鋰電池溫度超過某預(yù)先設(shè)定的被動(dòng)冷卻目標(biāo)溫度后，被動(dòng)散熱模式啟動(dòng)；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至主動(dòng)冷卻目標(biāo)溫度以上時(shí)，主動(dòng)散熱模式啟動(dòng)。
3.2荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)
SOC（StateofCharge），可用電量占據(jù)電池最大可用容量的比例，通常以百分比表示，100％表示完全充電，0％表示完全放電。
這是針對(duì)單個(gè)電池的含義，關(guān)于電池模塊（或電池組，由于電池組由多個(gè)模塊組成，因此從模塊SOC計(jì)算電池組的SOC就像電池電池單體SOC估計(jì)模塊SOC相同），情況有一點(diǎn)復(fù)雜。在SOC估計(jì)方法的最后一節(jié)討論。
目前，對(duì)SOC的研究已經(jīng)基本成熟，SOC算法重要分為兩大類，一類為單一SOC算法，另一類為多種單一SOC算法的融合算法。單一SOC算法包括安時(shí)積分法、開路電壓法、基于電池模型估計(jì)的開路電壓法、其他基于電池性能的SOC估計(jì)法等。融合算法包括簡(jiǎn)單的修正、加權(quán)、卡爾曼濾波（或擴(kuò)展卡爾曼濾波）以及滑模變結(jié)構(gòu)方法等。
1）放電測(cè)試方法
確定電池SOC的最可靠方法是在受控條件下進(jìn)行放電測(cè)試，即指定的放電速率和環(huán)境溫度。這個(gè)測(cè)試可以準(zhǔn)確的計(jì)算電池的剩余電量SOC，但所消耗的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，并且在測(cè)試完畢以后電池里面的電量全部放掉，因此這個(gè)方法只在實(shí)驗(yàn)室中用來標(biāo)定驗(yàn)證電池的標(biāo)稱容量，無法用于設(shè)計(jì)BMS做車輛電池電量的在線估計(jì)。
2）安時(shí)積分法
安時(shí)積分計(jì)算方法為:
式中，SOC為荷電狀態(tài)；SOC0為起始時(shí)刻（t0）的荷電狀態(tài)；CN為額定容量（為電池當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容量，隨壽命變化）；η為庫(kù)侖效率，放電為1，充電小于1；I為電流，充電為負(fù)，放電為正。
在起始荷電狀態(tài)SOC0比較準(zhǔn)確情況下，安時(shí)積分法在一段時(shí)間內(nèi)具有相當(dāng)好的精度（重要與電流傳感器采樣精度、采樣頻率有關(guān)）。但是，安時(shí)積分法的重要缺點(diǎn)為：起始SOC0影響荷電狀態(tài)的估計(jì)精度；庫(kù)侖效率η受電池的工作狀態(tài)影響大（如荷電狀態(tài)、溫度、電流大小等），η難于準(zhǔn)確測(cè)量，會(huì)對(duì)荷電狀態(tài)誤差有累積效應(yīng)；電流傳感器精度，特別是偏差會(huì)導(dǎo)致累計(jì)效應(yīng)，影響荷電狀態(tài)的精度。因此，單純采用安時(shí)積分法很難滿足荷電狀態(tài)估計(jì)的精度要求。
3）開路電壓（OCV）法
鋰離子電池的荷電狀態(tài)與鋰離子在活性材料中的嵌入量有關(guān)，與靜態(tài)熱力學(xué)有關(guān)，因此充分靜置后的開路電壓可以認(rèn)為達(dá)到平衡電動(dòng)勢(shì)，OCV與荷電狀態(tài)具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，是估計(jì)荷電狀態(tài)的有效方法。但是有些種類電池的OCV與充放電過程（歷史）有關(guān)，如LiFePO4/C電池，充電OCV與放電OCV具有滯回現(xiàn)象（與鎳氫電池類似），并且電壓曲線平坦，因而SOC估計(jì)精度受到傳感器精度的影響嚴(yán)重，這些都要進(jìn)一步研究。開路電壓法最大的優(yōu)點(diǎn)是荷電狀態(tài)估計(jì)精度高，但是它的顯著缺點(diǎn)是要將電池長(zhǎng)時(shí)靜置以達(dá)到平衡，電池從工作狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)一般要一按時(shí)間，與荷電狀態(tài)、溫度等狀態(tài)有關(guān)，低溫下要數(shù)小時(shí)以上，所以該方法單獨(dú)使用只適于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)，不適合動(dòng)態(tài)估計(jì)。
4）基于電池模型的開路電壓法
通過電池模型可以估計(jì)電池的開路電壓，再根據(jù)OCV與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以估計(jì)當(dāng)前電池的SOC。等效電路模型是最常用的電池模型。
關(guān)于這種方法，電池模型的精度和復(fù)雜性非常重要。華等人收集了12個(gè)常用等效電路模型，包括組合模型，Rint模型（簡(jiǎn)單模型），具有零狀態(tài)滯后模型的Rint模型，具有單態(tài)滯后模型的Rint模型，具有兩個(gè)低通濾波器增強(qiáng)型自校正（ESC）模型，具有四個(gè)低通濾波器的ESC模型，一階RC模型，一個(gè)狀態(tài)滯后的一階RC模型，二階RC模型，具有單態(tài)滯后的二階RC模型，三階RC模型和具有單態(tài)滯后的三階RC模型。
電化學(xué)模型是建立在傳質(zhì)、化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，涉及電池內(nèi)部材料的參數(shù)較多，而且很難準(zhǔn)確獲得，模型運(yùn)算量大，一般用于電池的性能分析與設(shè)計(jì)。
假如電池模型參數(shù)已知，則很容易找到電池OCV。然后使用通過實(shí)驗(yàn)得出的OCV-SOC查找表，可以容易地找到電池SOC。研究人員使用這種方法，并分別采取RINT模型，一階RC，二階RC模型，發(fā)現(xiàn)使用二階RC模型的最大估計(jì)誤差是4.3％，而平均誤差是1.4％。
圖6充放電C/的LiFePO的OCV曲線4（在25℃測(cè)量，休息時(shí)間3小時(shí)）
5）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法估計(jì)SOC是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射特性，在建立模型時(shí)不用具體考慮電池的細(xì)節(jié)問題，方法具有普適性，適用于各種電池的SOC估計(jì)，但是要大量樣本數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，且估算誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法運(yùn)算量大，要強(qiáng)大的運(yùn)算芯片（如DSP等）。
6）模糊邏輯方法
模糊邏輯法基本思路就是根據(jù)大量試驗(yàn)曲線、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及可靠的模糊邏輯理論依據(jù)，用模糊邏輯模擬人的模糊思維，最終實(shí)現(xiàn)SOC預(yù)測(cè)，但該算法首先要對(duì)電池本身有足夠多的了解，計(jì)算量也較大。
7）基于電池性能的SOC估計(jì)法
基于電池性能的SOC估計(jì)方法包括交流阻抗法、直流內(nèi)阻法和放電試驗(yàn)法。交流阻抗法是通過對(duì)交流阻抗譜與SOC的關(guān)系進(jìn)行SOC估計(jì)。直流內(nèi)阻法通過直流內(nèi)阻與電池SOC的關(guān)系進(jìn)行估計(jì)。
交流阻抗及直流內(nèi)阻一般僅用于電池離線診斷，很難直接應(yīng)用在車用SOC實(shí)時(shí)估計(jì)中，這是因?yàn)?，采用交流阻抗的方法要有信?hào)發(fā)生器，會(huì)新增成本；電池阻抗譜或內(nèi)阻與SOC關(guān)系復(fù)雜，影響因素多（包括內(nèi)阻一致性）；電池內(nèi)阻很小，車用電池在毫歐級(jí)，很難準(zhǔn)確獲得；鋰離子電池內(nèi)阻在很寬范圍內(nèi)變化較小，很難識(shí)別。
8）融合算法
目前融合算法包括簡(jiǎn)單修正、加權(quán)、卡爾曼濾波或擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、滑模變結(jié)構(gòu)等。簡(jiǎn)單修正的融合算法重要包括開路電壓修正、滿電修正的安時(shí)積分法等。
關(guān)于純電動(dòng)汽車電池，工況較為簡(jiǎn)單，車輛運(yùn)行時(shí)除了少量制動(dòng)回饋充電外重要處于放電態(tài)，站上充電時(shí)電池處于充電態(tài)，開路電壓的滯回效應(yīng)比較容易估計(jì)；電池容量大，安時(shí)積分的誤差相對(duì)較小；充滿電的機(jī)率大，因此，采用開路電壓標(biāo)定初值和滿電修正的安時(shí)積分方法可以滿足純電動(dòng)汽車電池SOC的估計(jì)精度要求。
關(guān)于混合動(dòng)力車電池，由于工況復(fù)雜，運(yùn)行中為了維持電量不變，電流有充有放；停車時(shí)除了維護(hù)外，沒有站上充電的機(jī)會(huì)；電池容量較小，安時(shí)積分的相對(duì)誤差大。因此，簡(jiǎn)單的開路電壓修正方法還不能滿足混合動(dòng)力車電池SOC的估計(jì)精度要求，要其他融合方法解決。
加權(quán)融合算法是將不同方法得到的SOC按一定權(quán)值進(jìn)行加權(quán)估計(jì)的方法。MarkVerbrugge等采用安時(shí)積分獲得SOCc與采用具有滯回的一階RC模型獲得SOCv的加權(quán)方法估計(jì)SOC，計(jì)算公式為
卡爾曼濾波是一種常用的融合算法。由于SOC不能直接測(cè)量，目前一般將兩種估計(jì)SOC的方法融合起來估計(jì)。SOC被當(dāng)成電池系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)分析。又由于電池系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，因此采用擴(kuò)展的卡爾曼濾波方法，通常采用安時(shí)積分與電池模型組成系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。Plett等研究了安時(shí)積分與組合模型、Rint模型（簡(jiǎn)單模型）、零狀態(tài)滯回Rint模型、一狀態(tài)滯回Rint模型、加強(qiáng)自修正模型的卡爾曼濾波融合算法。Wang等研究了安時(shí)積分與二階RC模型的卡爾曼濾波融合算法。
夏超英等研究了安時(shí)積分與一階RC模型的卡爾曼濾波算法，指出EKF作為一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器，其意義在于用安時(shí)積分法計(jì)算SOC的同時(shí)，估計(jì)出電容上的電壓，從而得到電池端電壓的估計(jì)值作為校正SOC的依據(jù)，同時(shí)考慮噪聲及誤差的大小，確定每一步的濾波增益，得到開路電壓法在計(jì)算SOC時(shí)應(yīng)占的權(quán)重，從而得到SOC的最優(yōu)估計(jì)。這樣就把安時(shí)積分法和開路電壓有機(jī)地結(jié)合起來，用開路電壓克服了安時(shí)積分法有累積誤差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了SOC的閉環(huán)估計(jì)。同時(shí)，由于在計(jì)算過程中考慮了噪聲的影響，所以算法對(duì)噪聲有很強(qiáng)的抑制用途。這是當(dāng)前應(yīng)用最廣的SOC估計(jì)方法。
Charkhgard等采用卡爾曼濾波融合了安時(shí)積分與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，卡爾曼濾波用于SOC計(jì)算的核心是建立合理的電池等效模型，建立一組狀態(tài)方程，因此算法對(duì)電池模型依賴性較強(qiáng)，要獲得準(zhǔn)確的SOC，要建立較為準(zhǔn)確的電池模型，為了節(jié)省計(jì)算量，模型還不能太復(fù)雜。Ouyang等提出一種實(shí)時(shí)性好的基于電化學(xué)機(jī)理的等效電路模型的SOC卡爾曼濾波算法，在保證計(jì)算速度基礎(chǔ)上，提高了SOC的估計(jì)效果，尤其是低SOC區(qū)的估計(jì)精度。但是卡爾曼濾波法的缺點(diǎn)還有卡爾曼增益不好確定，假如選擇不好狀態(tài)將發(fā)散。Kim等提出采用滑模技術(shù)克服卡爾曼濾波的缺點(diǎn)，據(jù)稱該方法關(guān)于模型參數(shù)不確定和干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。
9）電池組SOC估計(jì)
電池組由多節(jié)電池串并聯(lián)組成，由于電池單體間存在不一致性，成組后的電池組SOC計(jì)算更為復(fù)雜。由多個(gè)電芯并聯(lián)連接的電池模塊可以被認(rèn)為是具有高容量的單個(gè)電池，并且由于并聯(lián)連接的自平衡特性，可以像單個(gè)電池相同估計(jì)SOC。
在串聯(lián)連接條件下，粗略的估計(jì)電池模塊的SOC也可以像單體電池相同，但考慮到電池的均勻性，情形會(huì)有些不同。假設(shè)電池模塊中每個(gè)單體電池的容量和SOC是已知的。假如有一個(gè)非常高效且無損的能量均衡裝置，則電池模塊的SOC：
其中，SOCM表示電池模塊的SOC，SOCi表示第i個(gè)電池單元的SOC，Ci表示第i個(gè)電池單體的容量。假如平衡裝置不是那么有效，真正的電池模塊的SOC與該平衡裝置的實(shí)際性能有關(guān)。假如只有耗散式的被動(dòng)均衡功能或者沒有均衡功能，則電芯中存在一部分無法利用的容量如圖6所示，并且隨著電池差異性的加劇，這種浪費(fèi)的容量的比例會(huì)越來越大。因此，電池模塊的容量表示為：
由此，在每一節(jié)電池單體SOC都可估計(jì)的前提下，就可以得到電池組的SOC值。要獲取單體的SOC值，最直接的方法就是應(yīng)用上述SOC估計(jì)方法中的一種，分別估計(jì)每一個(gè)單體的SOC，但這種方法的計(jì)算量太大。為了減小計(jì)算量，部分文獻(xiàn)[43~45]在估計(jì)電池成組的SOC方法上做了一些改進(jìn)研究。Dai等[44]采用一個(gè)EKF估計(jì)電池組平均SOC，用另一個(gè)EKF估計(jì)每個(gè)單體SOC與平均SOC之差ΔSOC。估計(jì)ΔSOC的EKF中要估計(jì)的狀態(tài)量只有一個(gè)，因此算法的計(jì)算量較小。另外，考慮到ΔSOC的變化很慢，采用雙時(shí)間尺度的方法可以進(jìn)一步減小計(jì)算量。Zheng等提出了一種M+D模型，即一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的電池單體平均模型M，和一個(gè)簡(jiǎn)單的單體差異模型D，利用最小二乘法計(jì)算單體與平均單體之間的差值ΔOCV，通過ΔSOC與ΔOCV的關(guān)系，可以計(jì)算每個(gè)單體的SOC值。
