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)保意識的覺醒和政府政策的導(dǎo)向，電動汽車的銷量在近幾年已經(jīng)有了飛躍性發(fā)展。但是，作為電動汽車發(fā)展最為依賴的鋰離子動力電池，卻至今還沒有很明確的發(fā)展趨勢。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，依然還處于實驗室研究階段。無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。從市場上的產(chǎn)品來看也是，無論日韓，還是國內(nèi)的頂級電池企業(yè)，產(chǎn)品的先進性也只是確保了相比于同行的半步趨前，還不曾出現(xiàn)有代際落差的劃時代變化。

基于動力電池發(fā)展的現(xiàn)狀，電動汽車里程短、充電慢的短板一時間難以補上，如何在應(yīng)用上下文章，擴大電動汽車的多樣性實用性，就成為各大車企不得不考慮的問題了。

對于里程短的問題，目前主流的做法，除了多加電池，增加成本外，還會提供車輛共享運營，滿足甚至制造短距行車的需求，以擴大電動汽車應(yīng)用。結(jié)合中國電子支付的普及，這方面的拓展努力，其實已經(jīng)漸趨成熟。

對于充電慢的問題，市場應(yīng)對的則要相對慢一些。目前電動汽車的購買用戶，基本都需要自身具備能提供長時充電的場所。直流快充和停車場收費充電，造成的電池損耗與收費費用，均代價過大，還只能是一個補充，無法真正提供發(fā)展支撐。筆者以為，充電附加成本過高，無法被城市廣大中產(chǎn)者所承受，這也是目前電動汽車在私人用戶中，呈現(xiàn)一高一低兩個極端發(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，便是其中一項重要的應(yīng)用探索。

布局換電站，為周邊的電動汽車提供快速換電，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。將之細化到BMS（電池管理系統(tǒng)）的開發(fā)上，則在實際應(yīng)用中，對電池包的能力分級，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，探討幾種對電池包能級評估的方法。

2 電池包能級計算的特殊性

2.1 現(xiàn)狀

對電池包的能力分級，其實就是對電池包對外做功能力的評估。在目前常規(guī)的BMS功能中，與之最接近的是對SOH的計算。然而SOH體現(xiàn)的是一個電池包在多次循環(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。這是一個百分值，這個值的大小，雖在一定程度上代表了電池包的對外做功能力，但在實際的換電應(yīng)用中，還是無法簡單的以SOH去橫向度量多個電池包的做功能力。

2.2 初始容量不同

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

2.3 電壓變化不同

電池的對外做功能力 （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，也會出現(xiàn)不同程度的再變化 （通常會降壓更快）。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，特別對于電壓變化幅度明顯的電芯，忽視電壓變化，簡單以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

電池對外做功能力，除了電壓與容量，在實際使用中還受電池自身內(nèi)阻的影響［1］。只要電池對外做功，內(nèi)阻就會直接與外部負載形成分壓，分攤?cè)ル姵氐囊徊糠肿龉δ芰?。這就像水箱的出水口上有一個漏洞，無論水箱里的水有多少，無論水壓有多大，每次用水，總會順著漏洞浪費掉一部分。內(nèi)阻越大，意味著漏洞也越大。而作為化學(xué)反應(yīng)的各個鋰電池，集相對穩(wěn)定的直流內(nèi)阻與不停變化的極化內(nèi)阻于一身，其阻值會隨著電池的循環(huán)使用而變大，但變大的趨勢卻沒有規(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，但無法直接與電池的電荷容量對應(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 （事實上，也很少有廠家通過內(nèi)阻去直接標定SOH的）。另外，內(nèi)阻對于電池對外做功能力的影響，還取決于當時外部負載的大小。即便同一個電池接不同的負載，其對外做功能力也是有所不同。外部負載越大，內(nèi)阻消耗的能量比例就越少，反之亦然。

所以，從這個意義上說，我們永遠也不可能精確地算出電池包的對外做功能力。只能是大致地對它的能力做一個評級罷了。

3 電池包分級計算的幾種算法討論

電池包的做功能級計算，目前還沒有成為BMS的主流功能。甚至，剩余里程的計算，也常常僅以電荷容量進行估算，很少有根據(jù)對外做功值去精算的。這種現(xiàn)象，不是各個廠家主觀不愿意，而是精算很困難，有時候甚至可能徒勞無功。所以，沒有很多可以參考的資料與實驗數(shù)據(jù)，本文也僅就個人經(jīng)驗與觀點，作一些分享與探討。

3.1 以容量替代電量

最簡單的能級計算，應(yīng)該就是SOH×初始容量了。

無視電壓與內(nèi)阻的變化，直接以電芯的當前滿放電電荷容量去標稱電池的做功能力。這樣做的好處就是計算量小，不會對BMS的處理能力造成大的負擔(dān) （事實上，現(xiàn)有的BMS功能中，在算SOH時，基本已經(jīng)附帶了這個計算）。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），則電壓的變化對于電池對外做功的影響，就會大大減少［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)阻的變化趨勢也可能會在一個可以接受的程度內(nèi)保持一致。此時，電池包的滿放電電荷容量即為表征電池包對外做功能力的最大變數(shù)。

畢竟在換電運營的環(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（將來某些換電站可能兼具為國家電網(wǎng)削峰填谷的儲能電站的特性）。BMS應(yīng)該需要基于換電的特點，對SOC與SOH的算法做一些修正，但無論如何修正，基于換電服務(wù)的BMS，必定會比非換電的BMS，具備更高精度的SOH與SOC的算出。

在上述前提下，電池包當前滿放電電荷容量算準了，其對外做功能力的級別評估，或許也就不遠了。事實上，在關(guān)于電池余能檢測的國標GB／T34015-2017之中，也僅僅是對于電池電荷容量檢測提出了要求，而并非是真正的對剩余能量的檢測。

3.2 通過容量與內(nèi)阻進行標定

直接以電荷量 （Q）與內(nèi)阻 （r）進行標定。通過大量的實驗數(shù)據(jù)，標定出電荷量、電池包內(nèi)阻、與電池包對外做功能級的對應(yīng)關(guān)系。在實際使用中，只要得到電池包SOH代表的滿放電荷量，電池包的實時內(nèi)阻，BMS就可以直接查表得到大概的能級值了。

目前，我們國內(nèi)的BMS廠商大多不愿計算實時內(nèi)阻 （r=ΔV／ΔI），主要還是在于精度問題。電流變化小了，電壓基本沒什么變化，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，電壓與電流的采樣同步性，也難以控制在一個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算精度，已經(jīng)較過去有所提高了。同樣的，基于換電的內(nèi)阻計算也可預(yù)期其更為準確。置于換電站內(nèi)的電池包，充電的時間迫切性已經(jīng)大為下降，結(jié)合站內(nèi)充電或者放電的設(shè)施，持續(xù)形成一個大的電流變化已經(jīng)不困難了。同時，對于電池包的能級評估，并不需要精確計算每串電芯的內(nèi)阻。作為整包內(nèi)阻的計算，使得對電壓電流的同步采樣需求，也變得相對更容易實現(xiàn)。

當然，比起3.1，3.2章節(jié)所述內(nèi)容雖然多了一個內(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相對的做功能級，卻并不強調(diào)去計算一個電池包的做功值。而這，對于采用不同材料體系電芯的電池包的橫向比較，還是會有很大的局限性。

3.3 積分滿充時電量

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

在此之前，還需要通過電芯實驗，得到每段ΔSOC所對應(yīng)的OCV平均值。如表1所示。

表1 每段ΔSOC所對應(yīng)的OCV平均值

由于表1可以通過電芯實驗得出，并事先存儲到BMS數(shù)據(jù)中，在實際運用中，只需要算出電池的當前滿放電電荷，就可以輕松計算出電池的滿放能量了。另外，作為改進考慮，由于電池循環(huán)后期，OCV-SOC關(guān)系必然會發(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。

當然，如果通過某些復(fù)雜算法 （如KF、RLS等）［3］，實時計算每小段SOC變化量的OCV值，以校正電芯ΔSOC對應(yīng)的實際OCV均值，則應(yīng)該還能更精確一些。但這么做，對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，都會很高。以目前國內(nèi)大多數(shù)BMS廠家，僅為100 ms的同步條件，要算好實時的OCV值，個人認為還是有些困難。同時，計算量的上升對BMS的CPU運行速度也會是一個不小的負擔(dān)。

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

3.4 以實時做功值推算

1）計算新品電池全程做功值：

2）以新品電池數(shù)據(jù)，為每一段ΔSOC，制作一個對應(yīng)于電池全程做功的比例表例，如表2所示。

表2 ΔSOC對應(yīng)于電池全程做功的比例表

3）計算電池當前ΔSOC時段的對外做功：

4）查表，找出當前的ΔSOC所做功，相比于電池全程做功所占的比例。

5）電池包對外做功值=當前時段對外做功／RateΔSOCn

該計算方法的好處依然是運算量不大，便于量產(chǎn)實現(xiàn)。第1）、2）步驟，可以事先算出，作為表格存儲到BMS數(shù)據(jù)中。真正在BMS運行中，也只需要承擔(dān)第3）～5）三步計算。由于當前做功值3），是電池系統(tǒng)在實際負載中的實時運算，該方法的估算精度也許會更匹配一些。與上述3.3章節(jié)相同，作為改進考慮，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，該方法也沒有考慮各串聯(lián)電芯SOC不一致所帶來的計算偏差。并且，以電池包整體的負載電壓 （CCV）進行計算，必然要求對CCV電壓的采樣有一個較高的精度。但目前，國內(nèi)多采用總電壓直接采樣的方式取值，其精度并不樂觀。本文建議采用電芯電壓累加的方式去計算總負載電壓。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，最好能做到50 ms以內(nèi)）。

4 結(jié)束語

作為電池包的能級計算，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，但就像電池的SOC算法一樣，最后能用于實踐的，都不得不從實驗樣本、應(yīng)用場景和BMS處理能力上，做出妥協(xié)［5］。本人因能力與經(jīng)驗所限，提出以上4種方法。但具體實用與否，也還需要應(yīng)對不同的使用場景與條件，在接下來的發(fā)展新能源汽車的大潮中，去驗證與修正。