通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，同一電池組，均衡放電明顯提高了SOC的可用范圍，即提高了電池組的實(shí)際利用SOC值和SOC利用率，不同電池容量的利用率得到明顯提高，同時(shí)直接提升了電池組的利用率。均衡放電所帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是常規(guī)放電所不具有的，那就是安全性的提升。

電池組一致性問題是電池組使用期間的最常見問題，也是最難以解決的技術(shù)難題，對(duì)于電動(dòng)汽車而言，非常影響車輛的實(shí)際充放電電量和汽車的續(xù)航里程，情況嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生熱失控故障并引發(fā)車輛自燃，車載BMS的SOC估算準(zhǔn)確度往往都是建立在電池組一致性良好的情況下，電池組一致性問題的存在將徹底擾亂SOC估算準(zhǔn)確性。

只有解決或者降低一致性問題的發(fā)生及影響，SOC估算才有實(shí)際意義，本文通過(guò)高效率的主動(dòng)型、實(shí)時(shí)高效電池均衡系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例及數(shù)據(jù)，證明了該技術(shù)對(duì)于提高電池組SOC估算值的作用是明顯、高效的。

關(guān)鍵詞：SOC、一致性、主動(dòng)均衡、雙向同步整流；

1、SOC估算方法及缺陷

電池組SOC估算的方法有很多種，既有傳統(tǒng)的電流積分法、電池內(nèi)阻法、放電試驗(yàn)法、開路電壓法、負(fù)載電壓法，也有較為創(chuàng)新的卡爾曼濾波法、模糊邏輯理論法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，各種估算方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同電池系統(tǒng)。

在BMS中，SOC（StateOfCharge電池荷電狀態(tài)）、SOP(StateOfPower電池能源狀態(tài))、SOH(StateofHealth電池健康狀態(tài))都是非常重要的管理指標(biāo)，直接關(guān)系到BMS的管理質(zhì)量和成敗，特別是實(shí)時(shí)SOC值，匹配一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的預(yù)估行駛里程，它是使用者在實(shí)際使用中判斷電池系統(tǒng)狀態(tài)的依據(jù)，直接影響出行計(jì)劃的安排和實(shí)施。

在上述各種估算方法中，都是建立在電池組一致性良好的條件下，均存在一個(gè)嚴(yán)重缺陷，那就是如果電池組發(fā)生了一致性問題，特別是一致性問題突出的情況下，SOC估算就會(huì)產(chǎn)生非常大的估算誤差，給使用者帶來(lái)誤導(dǎo)甚至引發(fā)事故。

例如，電動(dòng)汽車出發(fā)前顯示可行駛里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于駕駛者的實(shí)際路程，但行駛途中卻突然急速掉電，甚至突然沒電，半路拋錨，如果是在高速公路上行駛，非常容易發(fā)生被追尾事件。

2、影響SOC估算的因素

鋰離子動(dòng)力電池組的實(shí)時(shí)SOC是一個(gè)變量，無(wú)法直接測(cè)量，不能通過(guò)傳感器件直接測(cè)量得到，在工作時(shí)會(huì)受到外部環(huán)境多方面因素的影響。包括溫度、放電電流、放電倍率、內(nèi)阻、自放電率、衰減程度等等。

在上述因素中，影響最大的因素是電池組的衰減程度，衰減程度直接影響和決定了電池組的SOC估算值和可用范圍，衰減程度只是外在表現(xiàn)，實(shí)際是由于一致性問題引起的。

電池組的SOC值取決于電池組中容量最小、即衰減程度最嚴(yán)重的單元電池，即類似于“木桶原理”中的最短木板，其它電池即使未發(fā)生容量的衰減，超過(guò)衰減電池容量的部分也是無(wú)法得到利用的，不僅影響實(shí)際續(xù)航時(shí)間，還白白浪費(fèi)寶貴的容量。如圖1所示，圖例為衰減后的13串鋰電池組容量分布示意圖。

電池組一致性問題對(duì)SOC估算的影響及解決方案

衰減后的電池組，7#電池由于衰減最嚴(yán)重，在整個(gè)電池組中的剩余容量最小，因此電池組的SOC值就取決于7#電池，其它電池的衰減程度雖然相對(duì)較小，剩余容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于7#電池，但是由于BMS的存在，需要保護(hù)容量最小的7#電池不發(fā)生過(guò)放電，其它電池的容量即使再多也會(huì)被BMS忽略，不起任何作用。

因此，電池組實(shí)際放電容量的最大值就是7#電池的容量，即電池組的可使用容量的最大值就是圖中的最低容量線的容量。圖中，還有一條平均容量線，它介于最高容量和最小容量之間，近似于所有容量之和的平均值。

由于一致性問題的存在，最低容量與平均容量存在較大的差異，一致性問題越嚴(yán)重，這個(gè)差異越大，最終將導(dǎo)致可用SOC與平均SOC存在較大差異，這將直接影響電池組的實(shí)際續(xù)航時(shí)間。

SOC估算需要用到電流、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻等參數(shù)，最終轉(zhuǎn)換成實(shí)際SOC值，在一致性問題的影響下，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估算值只能無(wú)限接近于組內(nèi)最小容量電池的SOC，低于平均SOC值。

即整組電池中，發(fā)生衰減的一、兩塊電池的SOC值決定了整個(gè)電池組的SOC值，與其它電池的SOC值基本無(wú)關(guān)。電池組的一致性問題越嚴(yán)重，SOC估算值就越低，就會(huì)更嚴(yán)重偏離SOC平均值，不僅導(dǎo)致電池組的SOC利用率下降嚴(yán)重，更嚴(yán)重影響實(shí)際電池組的實(shí)際續(xù)航時(shí)間和利用效率。

衰減電池普遍具有內(nèi)阻偏高的特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行充放電操作時(shí)，電壓的波動(dòng)幅度明顯高于正常電池，這一特征，會(huì)嚴(yán)重影響SOC的實(shí)時(shí)估算，甚至?xí)褂?jì)算值嚴(yán)重偏離實(shí)際值，影響用戶的實(shí)際體驗(yàn)。

3、如何提高SOC估算值和利用率

通過(guò)前面的分析可知，影響SOC估算的主要原因是電池組的一致性問題，如果通過(guò)技術(shù)手段把一致性問題解決了，SOC的估算值和實(shí)際可用的SOC就會(huì)上升，這在應(yīng)用和管理上具有重要現(xiàn)實(shí)意義，特別是對(duì)于高價(jià)值設(shè)備。

理論上，電池組的放電容量決定SOC估算值，一致性問題存在恰恰影響的是實(shí)際放電容量。通過(guò)前面的示意圖可知，一致性問題導(dǎo)致衰減電池組的平均容量高于最低容量，一致性的問題就越嚴(yán)重，這個(gè)差異就越大，因此，提高電池組SOC估算值就要從提高電池組的平均容量利用率著手。

而要提高平均容量利用率，就必須讓所有高于最低容量的電池提高放電容量，用于彌補(bǔ)最低容量電池放電能力的不足，這就是具有高效放電均衡功能的電池均衡技術(shù)[1]。電池放電均衡技術(shù)的核心是所有高于最低容量的電池主動(dòng)提高放電電流，提高的放電電流通過(guò)高速、高效轉(zhuǎn)換為最低容量電池提供放電電流補(bǔ)充，從而主動(dòng)減小最低容量電池的實(shí)際放電電流。

通過(guò)放電倍率的最優(yōu)化自動(dòng)調(diào)整和匹配，延長(zhǎng)最低容量電池的實(shí)際放電時(shí)間，從而到達(dá)延長(zhǎng)整個(gè)電池組實(shí)際放電時(shí)間的目的。實(shí)際放電時(shí)間延長(zhǎng)了，那么實(shí)際放電容量自然就延長(zhǎng)了，即電池組的實(shí)際利用容量增加了。

它高于最低容量線，但略低于平均容量線，這是由于存在均衡效率和均衡損耗的實(shí)際問題，容量會(huì)有少量的損耗，但這種損耗是值得的，特別是對(duì)于大容量?jī)?chǔ)能、動(dòng)力電池組。

電池組一致性問題對(duì)SOC估算的影響及解決方案

我們知道，電池組的均衡技術(shù)，快速充電技術(shù)和電池SOC估算是電池管理系統(tǒng)的三項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。目前，電池均衡技術(shù)一直是一個(gè)亟待攻克的技術(shù)難題，除技術(shù)上的研發(fā)難度之外，成本過(guò)高一直制約其發(fā)展和普及，均衡問題又嚴(yán)重影響電池組的快速充電和SOC估算，可以說(shuō)，均衡技術(shù)才是BMS的最核心關(guān)鍵技術(shù)。

電池均衡技術(shù)包括被動(dòng)均衡技術(shù)和主動(dòng)均衡技術(shù)，被動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)電子開關(guān)控制電阻放電來(lái)預(yù)防低容量電池過(guò)充電，除了均衡電流過(guò)小之外，其最大的弊端是無(wú)法解決電池過(guò)放電的問題，更無(wú)法改善和提高電池組的SOC值和容量利用率。

主動(dòng)均衡技術(shù)包括很多種設(shè)計(jì)，并以能量轉(zhuǎn)移式設(shè)計(jì)最為典型，其中的主動(dòng)充電均衡設(shè)計(jì)，雖然成本也比較高，但設(shè)計(jì)相對(duì)容易，充電均衡速度和效率遠(yuǎn)高于被動(dòng)均衡，同樣存在無(wú)法解決電池過(guò)放電的問題和無(wú)法提高電池組容量利用率的固有缺陷。

從電池組的應(yīng)用需求來(lái)看，在充電均衡技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)的情況下，我們最迫切需要解決的是放電均衡技術(shù)，從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，研發(fā)最為困難的是同時(shí)具有放電均衡和靜態(tài)均衡功能的轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)。理論和實(shí)踐證明，只有這種電池均衡技術(shù)才能解決電池組SOC估算準(zhǔn)確和容量利用率難題。

提高SOC估算準(zhǔn)確性不僅僅是要提高估算精度，其真正的意義是為用戶提供真正可靠、具有真正參考價(jià)值的SOC信息，特別是電動(dòng)汽車BMS系統(tǒng)的SOC估算，直接影響駕駛?cè)说某鲂杏?jì)劃、出行體驗(yàn)及沿途充電安排。

4、實(shí)例

下面結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行闡述。為了使實(shí)驗(yàn)更具有普遍性，實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用常見的13串48伏鋰電池組，為增強(qiáng)對(duì)比性，所用電池均為衰減程度不一的退役鋰電池。電池編號(hào)為上排從左至右分別為1#至7#電池，下排從左至右分別為8#至13#電池，最右側(cè)的帶有“表頭供電”字樣的電池分別負(fù)責(zé)為7#和13#電池電壓測(cè)量表頭供電。

每塊電池的下方對(duì)應(yīng)一塊高精度電壓表頭，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電池的實(shí)時(shí)電壓，表頭采用級(jí)聯(lián)方式供電，需要消耗少量的電池能量。充電方式為CC-CV模式，恒流充電電流限制為1安，整組充電限制電壓54.6伏，當(dāng)任何一塊電池的充電電壓達(dá)到4.2伏時(shí)停止充電（防止過(guò)充電）；放電方式為CC模式，恒流放電電流為1安，整組放電限制電壓39伏，當(dāng)任何一塊電池的放電電壓降低到3.0伏時(shí)停止放電（防止過(guò)放電）。實(shí)驗(yàn)前，每塊電池均未進(jìn)行容量和內(nèi)阻檢測(cè)。

4.1常規(guī)放電實(shí)驗(yàn)

先對(duì)所有電池并聯(lián)充電，充電至4.2V，然后恢復(fù)成串聯(lián)模式繼續(xù)充電，當(dāng)其中的任何一塊電池再次充電至4.20V時(shí)停止充電，切換至放電模式，進(jìn)行常規(guī)放電，實(shí)測(cè)有效放電時(shí)間22分鐘時(shí)11#電池已降至3.00V，換算成實(shí)際放電容量為0.37Ah，該容量就是此電池組的實(shí)際容量。

此時(shí)，整組電池放電結(jié)束時(shí)刻的電壓如圖3所示，此時(shí)大部分電池的電壓仍較高，仍具有較多電量沒有釋放出來(lái)，最大電壓差達(dá)到0.68V，說(shuō)明電池組的一致性非常差（后經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，最大容量差異達(dá)到3.6倍）。實(shí)驗(yàn)表明，一致性問題嚴(yán)重影響和降低電池組的有效容量和SOC值，造成容量的浪費(fèi)，一致性問題越嚴(yán)重，有效放電容量和SOC的利用率會(huì)越低。

電池組一致性問題對(duì)SOC估算的影響及解決方案

4.2均衡放電實(shí)驗(yàn)

接下來(lái)，將本文電池均衡器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)連接到整組電池上，使電池組在電池均衡器的介入下進(jìn)行充電和放電，充電結(jié)束時(shí)的各電池電壓如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，在均衡器的介入下，電池的電壓一致性得到極大改善，相對(duì)電壓差非常小。

在保持均衡器連接情況下進(jìn)行放電，實(shí)際放電時(shí)間明顯延長(zhǎng)，當(dāng)某塊電池電壓降至3.0V時(shí)，整組電池的電壓只有39.28V，已接近放電終止電壓39.0V，實(shí)測(cè)有效放電時(shí)間達(dá)到62分鐘，換算成實(shí)際放電容量為1.03Ah，實(shí)際放電時(shí)間和放電容量為常規(guī)放電的2.82倍。

均衡放電結(jié)束時(shí)刻的電壓情況如圖5所示，圖中顯示，絕大多數(shù)電池的電量釋放完畢，最大電壓差只有0.08V，遠(yuǎn)低于常規(guī)放電結(jié)束時(shí)的電壓差，非常理想；作為實(shí)驗(yàn)拓展，對(duì)電池組繼續(xù)放電至總電壓到39.0V（13*3.0V=39V），繼續(xù)觀察各電池電壓情況，是否存在有電池過(guò)放電的情況，實(shí)際放電情況見圖6。

電池組一致性問題對(duì)SOC估算的影響及解決方案

電池組一致性問題對(duì)SOC估算的影響及解決方案

進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間只有1分23秒，電池組的總電壓就放電至39.0V，經(jīng)計(jì)算，多釋放的容量只有0.023Ah，此時(shí)，電壓下降幅度最大的依然是9#電池，但電壓仍然高達(dá)2.968V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池的放電保護(hù)電壓2.75V，最大電壓差只有85MV，說(shuō)明電池均衡器的電壓均衡和電池保護(hù)作用是非常高效的。

4.3兩種放電方式對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，同一電池組，均衡放電明顯提高了SOC的可用范圍，即提高了電池組的實(shí)際利用SOC值和SOC利用率，不同電池容量的利用率得到明顯提高，直接提升了電池組的利用率。均衡放電所帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是常規(guī)放電所不具有的，那就是安全性的提升。

均衡放電通過(guò)智能調(diào)節(jié)不同容量電池的實(shí)際放電電流[2,3]，減輕了小容量電池放電電流壓力和放電倍率，使不同容量電池電壓可以最大限度實(shí)現(xiàn)同步下降，有效防范小容量電池的過(guò)放電，由于內(nèi)阻原因引起的溫升大幅度降低，有效地防止了熱失控的發(fā)生概率，使得安全性大幅度提升。

5、結(jié)論

電池組的一致性問題對(duì)于SOC估算和實(shí)際可用范圍的影響非常大，一致性問題越嚴(yán)重，SOC估算值和實(shí)際可用范圍越小，本文通過(guò)電池均衡理論分析和13串48伏鋰電池組的常規(guī)放電和均衡放電數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)例，證明了支持放電均衡功能的高效實(shí)時(shí)電池均衡器對(duì)于一致性問題的積極影響，不僅大幅度提高了SOC估算值和可用值，而且電池組的運(yùn)行安全性又得到大幅度提高，對(duì)于提高電池組的平均容量利用率和預(yù)防熱失控意義重大。