動力電池系統(tǒng)SOC可用范圍，需要“精打細算”

曾經(jīng)記得有這么一個數(shù)據(jù)，如果在SOC計算中，有5%的不確定性，哪么電池組的尺寸必須增大5%，導(dǎo)致電池成本顯著增大。假如，給一個16KWh電池組增加5%的容量，需要增加300美元（當(dāng)時的數(shù)據(jù)）。如果按今天的價格估算，也在800~1000元人民幣，同樣也是一筆可觀的成本投入。
　　我們對比一下國內(nèi)外電池參數(shù)的表達形式，差距可窺一斑。在國內(nèi)產(chǎn)品電池系統(tǒng)參數(shù)表中，經(jīng)常可以看到SOC下限15% 或者20%，這幾乎變成了所有鋰離子電池共性的下限臺階，看不出所選電芯的特有屬性。我們再回頭看看leaf早期產(chǎn)品參數(shù)的表達：下限報警SOC值是16.25%。我們拋開數(shù)據(jù)背后的測試手段，僅從表達的精度方面，國內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)輸了一籌。這種對電池系統(tǒng)粗獷的需求模式，同樣折射到設(shè)計環(huán)節(jié)。隨著退補的臨近，成本矛盾日漸突出，成本問題會變得更加重要，新產(chǎn)品設(shè)計更需精打細算。
　　剖析SOC可用范圍，由多個因素決定。如果僅從表面上看，把確定SOC范圍大小的責(zé)任歸咎于BMS管理水平的高低,有失公允。好的BMS估算精度，也需要更完整的電池參數(shù)做支撐。俗話說，好馬也得配上好鞍。
　　

　　首先明確兩個概念:什么是SOC可用范圍？放電深度？
　　根據(jù)GBT19596中定義（T=25℃、先從荷電狀態(tài)引入）：
　　荷電狀態(tài)（SOC）: “當(dāng)前蓄電池中按照規(guī)定放電條件可以釋放的容量占可用容量的百分比?！盨OC狀態(tài)范圍百分比一般是從0%到100%。但是，考慮到化學(xué)電池反應(yīng)特性：閥值邊界，靜態(tài)和動態(tài)差異、倍率差異、估值精度差異等，SOC估值需要留出緩沖區(qū)間，以確保電池時時刻刻工作在安全區(qū)域。
　　SOC可用范圍：SOC范圍減掉SOC的緩沖區(qū)域，剩下的部分，就是SOC可用范圍了。如附圖一所示，c－d區(qū)間，15%~95% 可用范圍。
　　放電深度DOD：“表示蓄電池放電狀態(tài)的參數(shù)，等于實際放電容量，與可用容量的百分比?！睌?shù)值上的關(guān)系：SOC=1-DOD。DOD更多是體現(xiàn)當(dāng)前電池能力，是可放電深度的度量。例如，在表達電池壽命時，經(jīng)常作為一個前置參數(shù)，1C/1C DOD 80%,3000 cycles。
　　附圖一，借用全球知名品牌電池參數(shù)示意，SOC范圍、 SOC可用范圍，電池閥值范圍、安全范圍之間的包含關(guān)系。
　

　　圖一
　　SOC可用范圍精準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)因素：首先是電池參數(shù)的完整性和準(zhǔn)確性
　　因為鋰離子電池是化學(xué)產(chǎn)品，其能量形式是化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，充放電曲線是非線性的。其中，容量、能量、功率受環(huán)境溫度、溫升速率、電流倍率、SOC狀態(tài)等因素影響很大。
　　如果完成精準(zhǔn)電池性能測試，整個測試過程是非常耗時、耗力。很多廠家為了應(yīng)對快速的市場需求或補貼政策，人為的加快推出產(chǎn)品，一邊測試一邊賣產(chǎn)品，這種做法給電池的工程化應(yīng)用埋下隱患。
　　產(chǎn)品測試時間漫長原因體現(xiàn)在每個環(huán)節(jié)。僅標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)或者工況循環(huán)一項，都在3~6個月，這還只是電池產(chǎn)品本身因素，如果結(jié)合設(shè)備狀態(tài)，時間會更長。目前僅電芯的安全測試，就不少于12項之多，系統(tǒng)功能測試也在16項以上，還有常規(guī)功能、性能測試，如果再迭加不同溫度下SOC，測試工作量是非常龐大的?？上攵?，一款定型的活性材料配方，到合格產(chǎn)品的推出，產(chǎn)品成熟周期需要多么漫長的時間。
　　電池參數(shù)的完整性，有賴于對電芯個體的充分、多樣品測試。通常情況下，基于需求提出的電池參數(shù)模型，是電池參數(shù)多維度下的狀態(tài)關(guān)系，是全方位電池的評測，這也是產(chǎn)品應(yīng)該具備的參數(shù)標(biāo)簽。

　　　　從附圖測試來看，一般也是分幾步進行的，首先測試其基本功能，對滿足使用的數(shù)據(jù)優(yōu)先測試，類似于脈譜圖的網(wǎng)格的由大到小。例如，SOC 測試臺階，以5%或10%步進。如果面對測試精度要求更高的區(qū)間，還是遠遠不夠的。對于重點區(qū)段需要重點測試，在電池充放電曲線兩端、低溫功率狀態(tài)等等
　　上述闡述，更多的是針對電芯個體，如果站在系統(tǒng)角度，在熱、一致性、功率、能量方面更加敏感，測試工作的難度也會相應(yīng)增加。
　　另外，更重要的一點，就是測試設(shè)備的穩(wěn)定性和精度。目前，很多廠家，在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的測試，仍然選擇了昂貴的進口設(shè)備。這是為什么呢，主要是為了對測試的精度、穩(wěn)定性保障?？上驳氖?，近些年來，現(xiàn)狀有所改變。國內(nèi)測試設(shè)備廠家，潛心修練和成長，象星云科技等一大批優(yōu)秀廠家推出的測試設(shè)備，不僅可以和國外同類產(chǎn)品媲美，還有更接地氣的價格和周到的售后服務(wù)，取得了不錯的口碑和認可度。
　　其次，是BMS 算法的正確和精度。我們提到最多的BMS算法精度，是針對電池系統(tǒng)的要求而提出的。對于優(yōu)化SOC可用范圍這個問題，單方面從BMS入手，是不完全正確的。如上面所述，電池參數(shù)的完整性也是重要的因素。巧婦難為無米之炊，BMS在缺失數(shù)據(jù)面前是膽怯的。
　　在提到SOC算法，出現(xiàn)最多的詞是“估算”，電壓“Approx”。這與SOC精度要求并不矛盾。因為電芯本身特性，“當(dāng)前狀態(tài)”確實是隨著時間長度、溫度、C值大小而變化的。例如，SOC 5%, Valus Status Approx. 3200-3400mV。動態(tài)的電壓和OCV值、靜態(tài)擱置時長，都有一定的差異。這也恰恰是算法策略的難點和魅力所在。
　　當(dāng)然了，如果對于儀表的顯示，考慮與用戶友好性，通過建立與后臺真實的SOC對應(yīng)關(guān)系，可以認為是面對用戶的SOC值。
　　SOC估算精度，在不同的工況條件下是不同的。通常情況下，我們對BMS會提出要求，SOC精度達到或小于5%，其實，對于BMS工程的理解是，這個精度代表著最大誤差，而不是唯一的。
　　SOC 可用范圍通過精準(zhǔn)細致的策略控制、精確的數(shù)值，確定下限值
　　綜合分析，SOC可用范圍優(yōu)化，就是確定電池不同條件、工況下的下限值。電池上限的緩存區(qū)間很小，可以挖掘的空間不大。上限的緩存主要是在充電安全方面，保證不過充為目的。快充時，充到SOC80%；慢充時，依靠涓流小電流充電，可以達到95%以上。電池下限值，主要是考慮放電工況，放電電流的變化能力，會影響動力輸出或駕乘感受。同時，其緩存的寬度還是很大的。
　　舉例說明一下下限值的確定和工況的關(guān)系：
　　VOLT有個最佳壽命安全窗口（58~65%），是其策略中較為重要的部分。該窗口根據(jù)不同的工況模式，SOC下限數(shù)值也是不同的。正常工況模式下，下限值設(shè)定為SOC=30%；山路工況模式，下限設(shè)定為SOC=45%。這個道理，是容易理解的，當(dāng)山路模式下，放電或充電（能量回收）的C值變化是很大的，為了防止瞬間的過放（欠壓），過充（過壓），通過設(shè)定限值電壓達到電池的安全狀態(tài)。
　　EV和HEV SOC可用范圍的差異性
　　

　　因為電池系統(tǒng)在EV和HEV所承擔(dān)的任務(wù)和角色的不同，決定了C值需求的不同。EV強調(diào)的是，大的續(xù)駛里程；HEV或PHEV強調(diào)的動力性功率混合能力，包括大電流的能量回收能力。使用功能的差異性，也決定了其限值的不同。
　　同時，HEV或PHEV C值較高，自然也會影響電池的使用壽命。所以，窗口或限值，也需要考慮壽命因素。如下表所示，電池放電深度對壽命的影響是非常大的。
　　Cycle
　　1C/1C, 80% , DOD 25℃
　　3000 cycles
　　1C/1C, 100% , DOD 45℃
　　1680 cycles