电池组一致性问题对SOC估算的影响及解决方案

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通过对照实验不难发现，同一电池组，均衡放电明显提高了SOC的可用范围，即提高了电池组的实际利用SOC值和SOC利用率，不同电池容量的利用率得到明显提高，同时直接提升了电池组的利用率。均衡放电所带来的另一个优势是常规放电所不具有的，那就是安全性的提升。

电池组一致性问题是电池组使用期间的最常见问题，也是最难以解决的技术难题，对于电动汽车而言，非常影响车辆的实际充放电电量和汽车的续航里程，情况严重的还会发生热失控故障并引发车辆自燃，车载BMS的SOC估算准确度往往都是建立在电池组一致性良好的情况下，电池组一致性问题的存在将彻底扰乱SOC估算准确性。

只有解决或者降低一致性问题的发生及影响，SOC估算才有实际意义，本文通过高效率的主动型、实时高效电池均衡系统运行实例及数据，证明了该技术对于提高电池组SOC估算值的作用是明显、高效的。

关键词：SOC、一致性、主动均衡、双向同步整流；

1、SOC估算方法及缺陷

电池组SOC估算的方法有很多种，既有传统的电流积分法、电池内阻法、放电试验法、开路电压法、负载电压法，也有较为创新的卡尔曼滤波法、模糊逻辑理论法和神经网络法等，各种估算方法都有自己的优缺点，适合不同电池系统。

在BMS中，SOC（State Of Charge 电池荷电状态）、SOP(State Of Power电池能源状态)、SOH(State of Health电池健康状态) 都是非常重要的管理指标，直接关系到BMS的管理质量和成败，特别是实时SOC值，匹配一个与之相对应的预估行驶里程，它是使用者在实际使用中判断电池系统状态的依据，直接影响出行计划的安排和实施。

在上述各种估算方法中，都是建立在电池组一致性良好的条件下，均存在一个严重缺陷，那就是如果电池组发生了一致性问题，特别是一致性问题突出的情况下，SOC估算就会产生非常大的估算误差，给使用者带来误导甚至引发事故。

例如，电动汽车出发前显示可行驶里程远远高于驾驶者的实际路程，但行驶途中却突然急速掉电，甚至突然没电，半路抛锚，如果是在高速公路上行驶，非常容易发生被追尾事件。

2、影响SOC估算的因素

锂离子动力电池组的实时SOC是一个变量，无法直接测量，不能通过传感器件直接测量得到，在工作时会受到外部环境多方面因素的影响。包括温度、放电电流、放电倍率、内阻、自放电率、衰减程度等等。

在上述因素中，影响最大的因素是电池组的衰减程度，衰减程度直接影响和决定了电池组的SOC估算值和可用范围，衰减程度只是外在表现，实际是由于一致性问题引起的。

电池组的SOC值取决于电池组中容量最小、即衰减程度最严重的单元电池，即类似于“木桶原理”中的最短木板，其它电池即使未发生容量的衰减，超过衰减电池容量的部分也是无法得到利用的，不仅影响实际续航时间，还白白浪费宝贵的容量。如图1所示，图例为衰减后的13串锂电池组容量分布示意图。

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图1 13串衰减锂电池组容量分布示意图

通过示意图可以看到，衰减后的电池组，7#电池由于衰减最严重，在整个电池组中的剩余容量最小，因此电池组的SOC值就取决于7#电池，其它电池的衰减程度虽然相对较小，剩余容量都远远高于7#电池，但是由于BMS的存在，需要保护容量最小的7#电池不发生过放电，其它电池的容量即使再多也会被BMS忽略，不起任何作用。

因此，电池组实际放电容量的最大值就是7#电池的容量，即电池组的可使用容量的最大值就是图中的最低容量线的容量。图中，还有一条平均容量线，它介于最高容量和最小容量之间，近似于所有容量之和的平均值。

由于一致性问题的存在，最低容量与平均容量存在较大的差异，一致性问题越严重，这个差异越大，最终将导致可用SOC与平均SOC存在较大差异，这将直接影响电池组的实际续航时间。

SOC估算需要用到电流、单体电池电压、单体电池内阻等参数，最终转换成实际SOC值，在一致性问题的影响下，不管SOC估算策略如何，受限于BMS在均衡管理功能上的短板，SOC估算值只能无限接近于组内最小容量电池的SOC，低于平均SOC值。

即整组电池中，发生衰减的一、两块电池的SOC值决定了整个电池组的SOC值，与其它电池的SOC值基本无关。电池组的一致性问题越严重，SOC估算值就越低，就会更严重偏离SOC平均值，不仅导致电池组的SOC利用率下降严重，更严重影响实际电池组的实际续航时间和利用效率。

衰减电池普遍具有内阻偏高的特点，当对其进行充放电操作时，电压的波动幅度明显高于正常电池，这一特征，会严重影响SOC的实时估算，甚至会使计算值严重偏离实际值，影响用户的实际体验。

3、如何提高SOC估算值和利用率

通过前面的分析可知，影响SOC估算的主要原因是电池组的一致性问题，如果通过技术手段把一致性问题解决了，SOC的估算值和实际可用的SOC就会上升，这在应用和管理上具有重要现实意义，特别是对于高价值设备。

理论上，电池组的放电容量决定SOC估算值，一致性问题存在恰恰影响的是实际放电容量。通过前面的示意图可知，一致性问题导致衰减电池组的平均容量高于最低容量，一致性的问题就越严重，这个差异就越大，因此，提高电池组SOC估算值就要从提高电池组的平均容量利用率着手。

而要提高平均容量利用率，就必须让所有高于最低容量的电池提高放电容量，用于弥补最低容量电池放电能力的不足，这就是具有高效放电均衡功能的电池均衡技术[1]。电池放电均衡技术的核心是所有高于最低容量的电池主动提高放电电流，提高的放电电流通过高速、高效转换为最低容量电池提供放电电流补充，从而主动减小最低容量电池的实际放电电流。

通过放电倍率的最优化自动调整和匹配，延长最低容量电池的实际放电时间，从而到达延长整个电池组实际放电时间的目的。实际放电时间延长了，那么实际放电容量自然就延长了，即电池组的实际利用容量增加了。

如图2中的实际利用容量线（加粗虚线所示），它高于最低容量线，但略低于平均容量线，这是由于存在均衡效率和均衡损耗的实际问题，容量会有少量的损耗，但这种损耗是值得的，特别是对于大容量储能、动力电池组。

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图2 13串衰减锂电池组实际利用容量分布示意图

我们知道，电池组的均衡技术，快速充电技术和电池SOC估算是电池管理系统的三项关键性技术。目前，电池均衡技术一直是一个亟待攻克的技术难题，除技术上的研发难度之外，成本过高一直制约其发展和普及，均衡问题又严重影响电池组的快速充电和SOC估算，可以说，均衡技术才是BMS的最核心关键技术。

电池均衡技术包括被动均衡技术和主动均衡技术，被动均衡技术通过电子开关控制电阻放电来预防低容量电池过充电，除了均衡电流过小之外，其最大的弊端是无法解决电池过放电的问题，更无法改善和提高电池组的SOC值和容量利用率。

主动均衡技术包括很多种设计，并以能量转移式设计最为典型，其中的主动充电均衡设计，虽然成本也比较高，但设计相对容易，充电均衡速度和效率远高于被动均衡，同样存在无法解决电池过放电的问题和无法提高电池组容量利用率的固有缺陷。

从电池组的应用需求来看，在充电均衡技术容易实现的情况下，我们最迫切需要解决的是放电均衡技术，从现有技术来看，研发最为困难的是同时具有放电均衡和静态均衡功能的转移式电池均衡技术。理论和实践证明，只有这种电池均衡技术才能解决电池组SOC估算准确和容量利用率难题。

提高SOC估算准确性不仅仅是要提高估算精度，其真正的意义是为用户提供真正可靠、具有真正参考价值的SOC信息，特别是电动汽车BMS系统的SOC估算，直接影响驾驶人的出行计划、出行体验及沿途充电安排。

4、实例

下面结合具体实例进行阐述。为了使实验更具有普遍性，实验对象采用常见的13串48伏锂电池组，为增强对比性，所用电池均为衰减程度不一的退役锂电池。电池编号为上排从左至右分别为1#至7#电池，下排从左至右分别为8#至13#电池，最右侧的带有“表头供电”字样的电池分别负责为7#和13#电池电压测量表头供电。

每块电池的下方对应一块高精度电压表头，实时显示当前电池的实时电压，表头采用级联方式供电，需要消耗少量的电池能量。充电方式为CC-CV模式，恒流充电电流限制为1安，整组充电限制电压54.6伏，当任何一块电池的充电电压达到4.2伏时停止充电（防止过充电）；放电方式为CC模式，恒流放电电流为1安，整组放电限制电压39伏，当任何一块电池的放电电压降低到3.0伏时停止放电（防止过放电）。实验前，每块电池均未进行容量和内阻检测。

4.1 常规放电实验

先对所有电池并联充电，充电至4.2V，然后恢复成串联模式继续充电，当其中的任何一块电池再次充电至4.20V时停止充电，切换至放电模式，进行常规放电，实测有效放电时间22分钟时11#电池已降至3.00V，换算成实际放电容量为0.37Ah，该容量就是此电池组的实际容量。

此时，整组电池放电结束时刻的电压如图3所示，此时大部分电池的电压仍较高，仍具有较多电量没有释放出来，最大电压差达到0.68V，说明电池组的一致性非常差（后经实际检测，最大容量差异达到3.6倍）。实验表明，一致性问题严重影响和降低电池组的有效容量和SOC值，造成容量的浪费，一致性问题越严重，有效放电容量和SOC的利用率会越低。

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图3 锂电池组常规放电结束时的电压情况

4.2 均衡放电实验

接下来，将本文电池均衡器实验样机连接到整组电池上，使电池组在电池均衡器的介入下进行充电和放电，充电结束时的各电池电压如图4所示，可以发现，在均衡器的介入下，电池的电压一致性得到极大改善，相对电压差非常小。

在保持均衡器连接情况下进行放电，实际放电时间明显延长，当某块电池电压降至3.0V时，整组电池的电压只有39.28V，已接近放电终止电压39.0V，实测有效放电时间达到62分钟，换算成实际放电容量为1.03Ah，实际放电时间和放电容量为常规放电的2.82倍。

均衡放电结束时刻的电压情况如图5所示，图中显示，绝大多数电池的电量释放完毕，最大电压差只有0.08V，远低于常规放电结束时的电压差，非常理想；作为实验拓展，对电池组继续放电至总电压到39.0V（13*3.0V=39V），继续观察各电池电压情况，是否存在有电池过放电的情况，实际放电情况见图6。

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图4 锂电池组均衡充电结束时的电压情况

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图5 锂电池组均衡放电到达结束标准时的电压情况

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图6 锂电池组均衡放电到达放电终止电压39.0V的电压情况

进行拓展实验的持续时间只有1分23秒，电池组的总电压就放电至39.0V，经计算，多释放的容量只有0.023 Ah，此时，电压下降幅度最大的依然是9#电池，但电压依旧高达2.968V，远远高于锂离子电池的放电保护电压2.75V，最大电压差只有85MV，说明电池均衡器的电压均衡和电池保护作用是非常高效的。

4.3 两种放电方式对比分析

通过对照实验不难发现，同一电池组，均衡放电明显提高了SOC的可用范围，即提高了电池组的实际利用SOC值和SOC利用率，不同电池容量的利用率得到明显提高，直接提升了电池组的利用率。均衡放电所带来的另一个优势是常规放电所不具有的，那就是安全性的提升。

均衡放电通过智能调节不同容量电池的实际放电电流[2,3]，减轻了小容量电池放电电流压力和放电倍率，使不同容量电池电压可以最大限度实现同步下降，有效防范小容量电池的过放电，由于内阻原因引起的温升大幅度降低，有效地防止了热失控的发生概率，使得安全性大幅度提升。

5、结论

电池组的一致性问题对于SOC估算和实际可用范围的影响非常大，一致性问题越严重，SOC估算值和实际可用范围越小，本文通过电池均衡理论分析和13串48伏锂电池组的常规放电和均衡放电数据对比实例，证明了支持放电均衡功能的高效实时电池均衡器对于一致性问题的积极影响，不仅大幅度提高了SOC估算值和可用值，而且电池组的运行安全性又得到大幅度提高，对于提高电池组的平均容量利用率和预防热失控意义重大。

参考文献：

[1]周宝林、周全：一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林、周全：转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

[3]周宝林、周全：双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

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