關(guān)于新能源車電池包能級(jí)評(píng)估的方法討論

段貴江

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，浙江 杭州 311200）

1 引言

隨著民眾環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒和政府政策的導(dǎo)向，電動(dòng)汽車的銷量在近幾年已經(jīng)有了飛躍性發(fā)展。但是，作為電動(dòng)汽車發(fā)展最為依賴的鋰離子動(dòng)力電池，卻至今還沒(méi)有很明確的發(fā)展趨勢(shì)。一邊是現(xiàn)有材料體系下的鋰離子電池能量密度的提高，已經(jīng)快要到極限了，而另一邊，下一代產(chǎn)品的發(fā)展突破點(diǎn)，依然還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。無(wú)論是固體鋰離子電池，鋰金屬，還是鋰硫鋰空電池，都尚未清晰。從市場(chǎng)上的產(chǎn)品來(lái)看也是，無(wú)論日韓，還是國(guó)內(nèi)的頂級(jí)電池企業(yè)，產(chǎn)品的先進(jìn)性也只是確保了相比于同行的半步趨前，還不曾出現(xiàn)有代際落差的劃時(shí)代變化。

基于動(dòng)力電池發(fā)展的現(xiàn)狀，電動(dòng)汽車?yán)锍潭?、充電慢的短板一時(shí)間難以補(bǔ)上，如何在應(yīng)用上下文章，擴(kuò)大電動(dòng)汽車的多樣性實(shí)用性，就成為各大車企不得不考慮的問(wèn)題了。

對(duì)于里程短的問(wèn)題，目前主流的做法，除了多加電池，增加成本外，還會(huì)提供車輛共享運(yùn)營(yíng)，滿足甚至制造短距行車的需求，以擴(kuò)大電動(dòng)汽車應(yīng)用。結(jié)合中國(guó)電子支付的普及，這方面的拓展努力，其實(shí)已經(jīng)漸趨成熟。

對(duì)于充電慢的問(wèn)題，市場(chǎng)應(yīng)對(duì)的則要相對(duì)慢一些。目前電動(dòng)汽車的購(gòu)買用戶，基本都需要自身具備能提供長(zhǎng)時(shí)充電的場(chǎng)所。直流快充和停車場(chǎng)收費(fèi)充電，造成的電池?fù)p耗與收費(fèi)費(fèi)用，均代價(jià)過(guò)大，還只能是一個(gè)補(bǔ)充，無(wú)法真正提供發(fā)展支撐。筆者以為，充電附加成本過(guò)高，無(wú)法被城市廣大中產(chǎn)者所承受，這也是目前電動(dòng)汽車在私人用戶中，呈現(xiàn)一高一低兩個(gè)極端發(fā)展的重要原因。而為了改善充電困擾，各大車企也多在積極探索，電池包快速更換，便是其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用探索。

布局換電站，為周邊的電動(dòng)汽車提供快速換電，已經(jīng)有多家車企開始嘗試了。而這種做法一旦展開，如何做好電池包的梯次利用，不同容量不同廠家的電池包的混合投入，甚至新電池包投放市場(chǎng)之后，如何與前期投入的舊電池包之間做好應(yīng)用平衡 （不被用戶喜新厭舊），都必將成為新的課題。將之細(xì)化到BMS（電池管理系統(tǒng)）的開發(fā)上，則在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電池包的能力分級(jí)，便成為解決上述課題的先決條件了。本文，正是基于換電之后的應(yīng)用需求，探討幾種對(duì)電池包能級(jí)評(píng)估的方法。

2 電池包能級(jí)計(jì)算的特殊性

2.1 現(xiàn)狀

對(duì)電池包的能力分級(jí)，其實(shí)就是對(duì)電池包對(duì)外做功能力的評(píng)估。在目前常規(guī)的BMS功能中，與之最接近的是對(duì)SOH的計(jì)算。然而SOH體現(xiàn)的是一個(gè)電池包在多次循環(huán)使用后的滿放電荷容量與出廠電荷容量的比值，亦即電池包的衰減后的可用電荷容量額度。這是一個(gè)百分值，這個(gè)值的大小，雖在一定程度上代表了電池包的對(duì)外做功能力，但在實(shí)際的換電應(yīng)用中，還是無(wú)法簡(jiǎn)單的以SOH去橫向度量多個(gè)電池包的做功能力。

2.2 初始容量不同

換電的電池包很有可能會(huì)投入多家電池廠的產(chǎn)品。不同廠家或者同一廠家不同時(shí)期投產(chǎn)的電池包，電池包的出廠容量可能都不盡相同。SOH僅是一個(gè)比值，在出廠容量不同的情況下，是無(wú)法直接橫向比較的。

2.3 電壓變化不同

電池的對(duì)外做功能力 （W=U×I×T=U×Q），除了電荷容量，還與電壓的高低有關(guān)，而眾所周知，鋰電池的電壓值在放電過(guò)程中是隨電池剩余容量的變化而變化的。不同材料體系的鋰電池，不僅電壓隨容量變化的幅度各有不同，甚至在多次循環(huán)使用后，同一電池的變化幅度，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的再變化 （通常會(huì)降壓更快）。如圖1、圖2中可以看出，某三元電芯在出廠和多次循環(huán)后，其OCV-SOC的變化關(guān)系曲線在低SOC段有較大變化。故而，特別對(duì)于電壓變化幅度明顯的電芯，忽視電壓變化，簡(jiǎn)單以SOH值或者電池的電荷容量值，是難以較好體現(xiàn)電池的做功能力的。

圖2 多次循環(huán)后的OCV-SOC關(guān)系

2.4 內(nèi)阻影響

電池對(duì)外做功能力，除了電壓與容量，在實(shí)際使用中還受電池自身內(nèi)阻的影響［1］。只要電池對(duì)外做功，內(nèi)阻就會(huì)直接與外部負(fù)載形成分壓，分?jǐn)側(cè)ル姵氐囊徊糠肿龉δ芰Α＿@就像水箱的出水口上有一個(gè)漏洞，無(wú)論水箱里的水有多少，無(wú)論水壓有多大，每次用水，總會(huì)順著漏洞浪費(fèi)掉一部分。內(nèi)阻越大，意味著漏洞也越大。而作為化學(xué)反應(yīng)的各個(gè)鋰電池，集相對(duì)穩(wěn)定的直流內(nèi)阻與不停變化的極化內(nèi)阻于一身，其阻值會(huì)隨著電池的循環(huán)使用而變大，但變大的趨勢(shì)卻沒(méi)有規(guī)律，內(nèi)阻大小可以一定程度上表征電池的衰減劣化程度，但無(wú)法直接與電池的電荷容量對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)［1］。不同內(nèi)阻相同容量，相同內(nèi)阻不同容量，都是可能的 （事實(shí)上，也很少有廠家通過(guò)內(nèi)阻去直接標(biāo)定SOH的）。另外，內(nèi)阻對(duì)于電池對(duì)外做功能力的影響，還取決于當(dāng)時(shí)外部負(fù)載的大小。即便同一個(gè)電池接不同的負(fù)載，其對(duì)外做功能力也是有所不同。外部負(fù)載越大，內(nèi)阻消耗的能量比例就越少，反之亦然。

所以，從這個(gè)意義上說(shuō)，我們永遠(yuǎn)也不可能精確地算出電池包的對(duì)外做功能力。只能是大致地對(duì)它的能力做一個(gè)評(píng)級(jí)罷了。

3 電池包分級(jí)計(jì)算的幾種算法討論

電池包的做功能級(jí)計(jì)算，目前還沒(méi)有成為BMS的主流功能。甚至，剩余里程的計(jì)算，也常常僅以電荷容量進(jìn)行估算，很少有根據(jù)對(duì)外做功值去精算的。這種現(xiàn)象，不是各個(gè)廠家主觀不愿意，而是精算很困難，有時(shí)候甚至可能徒勞無(wú)功。所以，沒(méi)有很多可以參考的資料與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文也僅就個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與觀點(diǎn)，作一些分享與探討。

3.1 以容量替代電量

最簡(jiǎn)單的能級(jí)計(jì)算，應(yīng)該就是SOH×初始容量了。

無(wú)視電壓與內(nèi)阻的變化，直接以電芯的當(dāng)前滿放電電荷容量去標(biāo)稱電池的做功能力。這樣做的好處就是計(jì)算量小，不會(huì)對(duì)BMS的處理能力造成大的負(fù)擔(dān) （事實(shí)上，現(xiàn)有的BMS功能中，在算SOH時(shí)，基本已經(jīng)附帶了這個(gè)計(jì)算）。這一算法雖然看著有些粗糙，但如果車企采用OCV變化較緩的鋰電池 （如鐵鋰），則電壓的變化對(duì)于電池對(duì)外做功的影響，就會(huì)大大減少［2］。甚至，假如車企基本都是采用同一廠家相同材料體系的電芯——即不同電池包的電芯的化學(xué)特性較一致——那么，它們的電壓及內(nèi)阻的變化趨勢(shì)也可能會(huì)在一個(gè)可以接受的程度內(nèi)保持一致。此時(shí)，電池包的滿放電電荷容量即為表征電池包對(duì)外做功能力的最大變數(shù)。

畢竟在換電運(yùn)營(yíng)的環(huán)境下，電池包可以在換電站里得到安全與穩(wěn)定的充電服務(wù)，可以有足夠的休息間隙去給BMS做SOC偏差糾正，可以得到全程充電量的值去修正電池當(dāng)前滿放電電荷容量，甚至可能直接得到全程放電電荷容量（將來(lái)某些換電站可能兼具為國(guó)家電網(wǎng)削峰填谷的儲(chǔ)能電站的特性）。BMS應(yīng)該需要基于換電的特點(diǎn)，對(duì)SOC與SOH的算法做一些修正，但無(wú)論如何修正，基于換電服務(wù)的BMS，必定會(huì)比非換電的BMS，具備更高精度的SOH與SOC的算出。

在上述前提下，電池包當(dāng)前滿放電電荷容量算準(zhǔn)了，其對(duì)外做功能力的級(jí)別評(píng)估，或許也就不遠(yuǎn)了。事實(shí)上，在關(guān)于電池余能檢測(cè)的國(guó)標(biāo)GB／T34015-2017之中，也僅僅是對(duì)于電池電荷容量檢測(cè)提出了要求，而并非是真正的對(duì)剩余能量的檢測(cè)。

3.2 通過(guò)容量與內(nèi)阻進(jìn)行標(biāo)定

直接以電荷量 （Q）與內(nèi)阻 （r）進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)定出電荷量、電池包內(nèi)阻、與電池包對(duì)外做功能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際使用中，只要得到電池包SOH代表的滿放電荷量，電池包的實(shí)時(shí)內(nèi)阻，BMS就可以直接查表得到大概的能級(jí)值了。

目前，我們國(guó)內(nèi)的BMS廠商大多不愿計(jì)算實(shí)時(shí)內(nèi)阻 （r=ΔV／ΔI），主要還是在于精度問(wèn)題。電流變化小了，電壓基本沒(méi)什么變化，甚至可能都只是采樣誤差；電流變化大了，電壓極化影響也大，車況千變?nèi)f化，又很難捕捉到持續(xù)的、大的電流變化用于算法濾波；同時(shí)，電壓與電流的采樣同步性，也難以控制在一個(gè)誤差可承受的范圍之內(nèi)。

但是，正如3.1章節(jié)所述，在換電前提下，循環(huán)后電池包的滿放電電荷量的計(jì)算精度，已經(jīng)較過(guò)去有所提高了。同樣的，基于換電的內(nèi)阻計(jì)算也可預(yù)期其更為準(zhǔn)確。置于換電站內(nèi)的電池包，充電的時(shí)間迫切性已經(jīng)大為下降，結(jié)合站內(nèi)充電或者放電的設(shè)施，持續(xù)形成一個(gè)大的電流變化已經(jīng)不困難了。同時(shí)，對(duì)于電池包的能級(jí)評(píng)估，并不需要精確計(jì)算每串電芯的內(nèi)阻。作為整包內(nèi)阻的計(jì)算，使得對(duì)電壓電流的同步采樣需求，也變得相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，比起3.1，3.2章節(jié)所述內(nèi)容雖然多了一個(gè)內(nèi)阻的參考系數(shù)，但同樣也忽略了電壓的變化情況。3.1與3.2章節(jié)，均更多地在于為電池包劃一個(gè)相對(duì)的做功能級(jí)，卻并不強(qiáng)調(diào)去計(jì)算一個(gè)電池包的做功值。而這，對(duì)于采用不同材料體系電芯的電池包的橫向比較，還是會(huì)有很大的局限性。

3.3 積分滿充時(shí)電量

利用電芯在一定循環(huán)次數(shù)內(nèi)，OCV與SOC變化相對(duì)穩(wěn)定的特性，反過(guò)來(lái)看，每段ΔSOC所對(duì)應(yīng)的電壓值也是相對(duì)穩(wěn)定的。在上述3.1章節(jié)，電池包當(dāng)前滿放電電荷容量計(jì)算比較準(zhǔn)確的前提下，以電荷）×dOCV計(jì)算當(dāng)前電池包可能的滿放能量，也是一種可行的方式。

在此之前，還需要通過(guò)電芯實(shí)驗(yàn)，得到每段ΔSOC所對(duì)應(yīng)的OCV平均值。如表1所示。

表1 每段ΔSOC所對(duì)應(yīng)的OCV平均值

由于表1可以通過(guò)電芯實(shí)驗(yàn)得出，并事先存儲(chǔ)到BMS數(shù)據(jù)中，在實(shí)際運(yùn)用中，只需要算出電池的當(dāng)前滿放電電荷，就可以輕松計(jì)算出電池的滿放能量了。另外，作為改進(jìn)考慮，由于電池循環(huán)后期，OCV-SOC關(guān)系必然會(huì)發(fā)生變化。故而，再做一份或數(shù)份電池循環(huán)后期的ΔSOC-平均電壓的比例表，預(yù)先存于BMS之中，應(yīng)該可以較好地減緩電池使用后期不可避免地算出精度降低的情況。

當(dāng)然，如果通過(guò)某些復(fù)雜算法 （如KF、RLS等）［3］，實(shí)時(shí)計(jì)算每小段SOC變化量的OCV值，以校正電芯ΔSOC對(duì)應(yīng)的實(shí)際OCV均值，則應(yīng)該還能更精確一些。但這么做，對(duì)BMS的電壓采樣精度、電芯電壓采樣同步、以及與電流的采樣同步性要求，都會(huì)很高。以目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)BMS廠家，僅為100 ms的同步條件，要算好實(shí)時(shí)的OCV值，個(gè)人認(rèn)為還是有些困難。同時(shí)，計(jì)算量的上升對(duì)BMS的CPU運(yùn)行速度也會(huì)是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。

該方法在小格的計(jì)算區(qū)間內(nèi)，基本無(wú)視了電壓的變化（以平均值計(jì)算），也并未考慮內(nèi)阻的變化，必然存在著一定的設(shè)計(jì)誤差。并且，對(duì)于各串聯(lián)電芯SOC不一致的情況，實(shí)際使用中，如不得不以最小容量電芯的滿放電電荷量進(jìn)行計(jì)算，則包內(nèi)其他串聯(lián)電芯所處的電壓會(huì)更高一些，算出值也容易偏低。另外，這一方法，需要電芯廠家提供翔實(shí)的電芯特性數(shù)據(jù)，這對(duì)電芯的事前測(cè)試、數(shù)據(jù)采集，提出了較高的要求。

3.4 以實(shí)時(shí)做功值推算

1）計(jì)算新品電池全程做功值：

2）以新品電池?cái)?shù)據(jù)，為每一段ΔSOC，制作一個(gè)對(duì)應(yīng)于電池全程做功的比例表例，如表2所示。

表2 ΔSOC對(duì)應(yīng)于電池全程做功的比例表

3）計(jì)算電池當(dāng)前ΔSOC時(shí)段的對(duì)外做功：

4）查表，找出當(dāng)前的ΔSOC所做功，相比于電池全程做功所占的比例。

5）電池包對(duì)外做功值=當(dāng)前時(shí)段對(duì)外做功／RateΔSOCn

該計(jì)算方法的好處依然是運(yùn)算量不大，便于量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)。第1）、2）步驟，可以事先算出，作為表格存儲(chǔ)到BMS數(shù)據(jù)中。真正在BMS運(yùn)行中，也只需要承擔(dān)第3）～5）三步計(jì)算。由于當(dāng)前做功值3），是電池系統(tǒng)在實(shí)際負(fù)載中的實(shí)時(shí)運(yùn)算，該方法的估算精度也許會(huì)更匹配一些。與上述3.3章節(jié)相同，作為改進(jìn)考慮，根據(jù)上述1）、2）兩步，再做一份或數(shù)份電池循環(huán)后期的比例表預(yù)存于BMS之中，也可以緩和后期的精度降低的情況。

但是，該方法也沒(méi)有考慮各串聯(lián)電芯SOC不一致所帶來(lái)的計(jì)算偏差。并且，以電池包整體的負(fù)載電壓 （CCV）進(jìn)行計(jì)算，必然要求對(duì)CCV電壓的采樣有一個(gè)較高的精度。但目前，國(guó)內(nèi)多采用總電壓直接采樣的方式取值，其精度并不樂(lè)觀。本文建議采用電芯電壓累加的方式去計(jì)算總負(fù)載電壓。即如上文3.3章節(jié)所述，我們有必要提高電壓的采樣同步性 （據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，最好能做到50 ms以內(nèi)）。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為電池包的能級(jí)計(jì)算，如果純從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，必然還有更多更精確的算法可以應(yīng)對(duì)，但就像電池的SOC算法一樣，最后能用于實(shí)踐的，都不得不從實(shí)驗(yàn)樣本、應(yīng)用場(chǎng)景和BMS處理能力上，做出妥協(xié)［5］。本人因能力與經(jīng)驗(yàn)所限，提出以上4種方法。但具體實(shí)用與否，也還需要應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景與條件，在接下來(lái)的發(fā)展新能源汽車的大潮中，去驗(yàn)證與修正。