BMS核心算法SOC/SOH/SOP/SOE学习笔记

一、前言

    电池状态SOX（SOC/SOH/SOP/SOE）是BMS系统运行和决策的重要依据之一，也是BMS软件的技术难点和核心算法。

    我们无法直接获得电池SOX的具体数据，无论是SOC、SOH、SOP还是SOE，它们都是不可直接测量的内部状态。但BMS保护板可以通过芯片采集到电压、电流、温度以及时间等数据，并以此来计算出当前电池对应的SOX。

二、SOC

    SOC（State of Charge）表示的是电池包的剩余容量，即当前电池包中的剩余电量占满电时电量的百分比，计算公式如下：

    在计算SOC时，需要考虑的因素比较多，例如电流、温度、电池容量的衰减等，以上因素可能会影响到上述公式的分子或者分母。电流越大，电池能放出的剩余容量越小（电芯内阻消耗的能量增加）；温度越低，电池能放出的剩余容量也越小（内部电化学反应变缓、内阻增大）；电池容量衰减越多，满充容量越小。

    SOC计算的目的是便于用户了解剩余电量，同时也为SOH、SOP和SOE的计算提供数据基础，SOC是SOX中最重要的一个算法，具体公式如下：

    其中，SOC0是初始的电量（%）、i是负载电流（A）、t时间（s）、Cr是电池的满充容量（Ah）。

    公式虽然简单，但其中的误差因素不少：首先是初始电量，特别是电池出厂第一次使用，误差较大；其次是采样电流的精度，主要受限于芯片本身的能力以及采样周期的大小，并且电流采样精度的误差是不断累加的；最后是电池满充容量的变化，受到了电流、温度以及本身老化的影响。

    因此，行业普遍使用的SOC计算方法是基于安时积分+OCV修正算法。

    OCV是开路电压Open Circuit Voltage的缩写，在电化学领域，通常指的是电池或电池组在未连接负载时的电压值。当电池没有电流输入或输出，且按规定静置一段时间后，电芯两极之间的电势差就是OCV。

    下图是锰锂电池和磷酸铁锂电池的OCV曲线图，可以看到锰锂电池的电压曲线随着SOC的增加、其上升速率远大于磷酸铁锂，因此锰锂的OCV纠正算法理论上更为精确。而铁锂在10%~95%的SOC区间，电压几乎没有变化，只能选择充满电或者快没电时进行OCV修正。

三、SOH

    SOH（State of Health）指的是电池的健康状态，用于评估电池在使用一段时间后的性能下降程度。在实际应用中，电池的SOH是一个非常重要的指标，可以帮助判断电池的寿命和使用状况，并且对于一些特殊的应用场合和行业有着非常重要的价值和意义。

    SOH可以使用电池内阻的增大程度、或者电池容量的衰减程度来表示，如下所示。左边是内阻的计算公式，Raged是电池寿命终结时的内阻、Rcurrent是当前状态下的内阻、Rfresh是电池出厂时的内阻。右边是容量的计算公式，Qaged是当前状态下的电池容量、Qfresh是电池出厂时的容量。

    SOH内阻的计算方式适用于功率电池、SOH容量的计算方式适用于能量电池，前者放电能力大更关心内阻的变化、而后者更关心容量的变化。功率电池和能量电池是两类不同的锂电池，主要区别在于其应用场景和设计的不同。

    功率电池是一类专为高功率输出设备而设计的锂电池，其具有高电流输出的能力（一般可达10C以上），例如HEV轻混电动汽车。电池一般采用了可在短时间内快速反应的材料，电池内阻非常小，以获取强大的电流输出能力。能量电池则是一类专为长时间输出而设计的锂电池，它具有高能量密度和相对而言较低的放电倍率（一般2C~3C），例如EV电动汽车。

    在电池设计方面，功率电池和能量电池的电解质不同，功率电池的电解质更稠密、离子具有较高的可移动性，以提高电池的反应速度和对高功率放电的适应能力。而能量电池则把电解质的稠密度降低，提高了电池的电量，以适应持续输出的应用场景。

    这里再展开说明下HEV、PHEV和EV，一般HEV为48V轻混汽车，电池容量假设有1KWh，瞬时驱动功率有10KW以上（10C）；PHEV为插电混动，电池容量假设有10KWh，驱动功率有50KW以上（5C）；EV为纯电车型，电池容量50KWh，驱动功率有100KW以上（2C+）。因此HEV电池选择功率电池、PHEV电池的选择需要兼顾功率和能量、而EV则选择能量电池。

四、SOP

    SOP（State of Power）表示当前电池能够充电或者放电的最大功率，它的精确估算可以最大限度地提高电池的利用率。比如在加速时，可以供应最大的功率而不伤害电池；在刹车时，可以尽量多地回收能量而不伤害电池，这样可以保证车辆在行驶过程中不会因为欠压或者过流而失去动力。

    精确的SOP估算非常重要，例如一组均衡较好的电池包，在处于高电量的状态时，彼此间SOC相差很小（一般小于2%）；但当SOC很低时，可能会出现某节电芯电压急速下降的情况。为了保证每一节电芯电压始终不低于过放电压，SOP必须精确地估算出下一时刻该电芯能够输出的最大输出功率、以限制对电池的使用从而保护电池。同理，动能回收需要计算好SOP保证电压最高的某节电芯不会进入过充保护、也不能进入过流保护。

    在实际使用中，电池的供应商会提供一个SOP数据表，我们只要在程序中进行查表即可。例如上图的0~40表示的是输出功率，单位KW；0~100表示SOC，单位%；240~320表示开尔文温度，单位K。这样就不用消耗大量资源来计算当前的SOP，提高效率的同时也降低了成本。但该数据是实验室测试的理论值，无法覆盖到所有的异常情况。

五、SOE

    SOE（State of Energy）是一个相对较新的概念，它是设备剩余续航里程（时间）的一个度量指标，与SOC有相似之处，但并完全不相同。

    SOC是电池中剩余能量的比例，一个完全充满的电池SOC为100％。但SOE不同，例如特斯拉Model3的电池刚出厂时，充满电的SOE为445KM；但使用了较长时间后电池出现了一定程度的衰减，即使该电池SOC为100%，但SOE下降到了357KM（这里可能还将用户的驾驶习惯、当前的气温状态等条件也计算了进去）。

    SOE是电池中实际可用的能量总量，它考虑了电池的SOC和SOH。SOE的计算需要将SOC（现有能量比例）和SOH (电池损耗程度) 两个因素叠加起来，得到可以使用的电池能量总和，最终换算为续航里程或续航时间。

    具体来说，SOE是通过电池的历史充/放电情况、电池的内电阻、温度和电池的可靠性等多个因素综合考虑（如果是汽车，还要考虑用户的驾驶习惯），从而计算得到电池能量的总和。相对于SOC，SOE更为准确地反映了电池当前的能量状态。

    SOE的概念对于电动汽车和储能系统等市场来说尤为重要，它可以帮助用户更好地知晓和管理电池的状态，从而提高电池的使用寿命。

六、总结

    本文主要介绍了BMS软件算法SOX的相关概念，电池管理是一个非常复杂的系统架构，SOX作为用户和电池之间的重要纽带，对用户掌握电池的实际使用情况、并合理地使用电池，起着非常大的帮助作用。

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