一文詳解SOC、SOH、DOD、SOE

一 前言

根據前一期文章中，某位讀者朋友提出的一些意見，本期想說下本人對動力電池中不同狀態的理解。

動力電池荷電狀態，State of Charge簡稱SOC；

動力電池健康狀態，State of Health簡稱SOH；

電池包放電深度，Depth of discharge簡稱DOD；

電池剩余能量，Stete of Energy簡稱SOE。

二、電池荷電量SOC

電池荷電狀態，指的是電池中剩余的電荷的可用狀態，常用以下式子定義，

Q額定為電池的額定電荷容量，Q剩余為電池中剩余的電荷余量。

如果認為Q額定是一個固定不變的值，也就是認為剩余的電荷余量總是等于額定容量減去已釋放的荷電量的話，則SOC可以用以下式子表示，

Q放電表示最近一次充滿電后，電池已經放掉的電荷量。

剩余電量評估是BMS中最為重要的功能之一，系統中其他很多功能是依賴于剩余電量評估的結果的。個人認為如果要正確理解剩余電量的概念，需要注意以下問題：

1、額定容量Q額定與實際最大電荷容量Qtrue是有一定區別的，不同廠家給出的實際最大容量可能是115Ah，也可能是105Ah，但額定容量設定為100Ah，他們實際放出的電荷量和額定容量是不相等的（這也是為什么同樣電池容量的車，有的車覺得掉電慢有的覺得掉電快），另外隨著電池的老化，電池實際能放出的最大電荷量也是在不斷變小。

因此求的SOC值中的分母應該盡可能選用最大電荷容量來選擇，并且需要經常性的對電池最大容量值進行校準（這也是為什么需要專業人士來對電池Pack維護的原因）；

其次若無法獲取到最大荷電容量，則使用額定容量，此時SOC值可能出現大于100%的情況，這完全是有可能的。

2、剩余電荷量受多種因素的影響，是不能完全釋放的。

在前幾年日常生活中使用手機，手機在低電量報警狀態下，一打電話就立馬關機，但重新開機后又可以繼續待機幾小時；

類推到電動汽車中，動力電池在某時刻所剩電量是一定的，但并不一定能完全以電動汽車所需功率釋放而出，這說明電池Pack并非沒有剩余電荷，而是剩余電荷不能按照需求以較大電流釋放，事實上也是充滿電的電池電荷所能放出的最大值是受放電倍率、環境溫度等影響，而非恒定值。

3、以放電荷量Q放電測量不一定是準確的，實際使用中，放電一段時間在進行充電，未充滿就繼續使用，此時式2的計量就是失去了意義。

三、電池健康狀態SOH

鋰離子動力電池工作原理-當電池充電時，在電池內部，正極的鋰金屬氧化物經過化學反應產生鋰離子，這些鋰離子以有機電解質為載體，穿過隔膜，移動到負極，

而負極石墨的呈現層狀結構，有很多微孔，到達負極的鋰離子可以嵌入到微孔內，嵌入的鋰離子的數量越多，充電容量越高。

由于電池在充電過程中內部正極鋰離子的減少，負極鋰離子的增加，在電池外部表現為正常的端電壓升高。

電池放電時其內部化學反應相反，鋰離子從負極中脫嵌，回到正極與鋰金屬化合物結合，正極的鋰離子數量增加，負極的相應減少，使電池能量下降，在外部表現為電池的端電壓降低。

隨著隨著動力電池的反復充放電使用，其內部電極活性材料及存量鋰離子不斷消耗和損失，造成其容量、充放電功率等性能不斷衰退，電池逐漸老化，直至達到壽命的終點。

衡量電池的壽命可以分為循環壽命和時間壽命；

電池的一次充放電過程成為一個循環，電池被制造出來開始到不再使用為止，期間所經歷的循環次數，成為循環壽命，

它與電池本身的制造工藝有關，也與整個生命周期中的充放電深度、倍率，溫度等工作條件有很大關系（該種計量方法，若將電池裝在混動車型上，短短幾分鐘內電池可能經歷過許多個充放電周期，這種工作條件，若要統計循環壽命，也許僅僅幾天就達到換電池的標準）；

一個電池被生產出來的日子到不再使用為期間所經歷的天數，成為電池的時間壽命，同一批次電池，部分如果暴力使用且不維護，部分按照最優壽命的策略來使用并經常性維護，它們的壽命天差地別。

電池從使用開始性能將逐步下降，這是一個不可逆的過程，所以電池的劣化程度越高，越接近于壽命的終點。

電池偶爾也會出現“猝死”的情況，昨天對電池容量測評剩余容量還有90%，今天突然在惡劣的情況下使用，部分鋰離子在低溫狀態下結晶刺穿隔膜，剩余容量快速下降電池報廢。

有部分文獻將容量衰減與直流內阻譜作為電池健康的狀態的指標，個人認為是相對準確的，

對于SOH的概念，“當前的電池容量”是一個應用較廣的，被公認最能體現動力電池劣化的外特性評指標。

IEEE 1188 - 2005 標準和 USABC 也共同建議以“電池的容量” 作為衡量動力電池的劣化程度參數，具體使用容量衰減表示，可定義為,

四、電池Pack放電深度DOD

如果把電池從完全放空到完全充滿的過程中SOC的變化為記為0~100%，

則在實際應用中，最好讓每個電池都工作在5%~95%的區間。低于5%可能會過放高于95%可能會過充，從而發生一些不可逆轉的化學反應從而影響電池壽命。

同時在某些時刻且大部分時刻中，電動汽車電池組內的每個電池的容量以及剩余電量是有必然存在不一致的，主要原因有，

1、電池制造過程中定會存在不一致性，

作為化工產品，受材料、工藝等因素的制約，單體電池天生就會不一致，不同批次的電池原材料可能導致電池材料的化學特性存在不一致；

即使同批次原材料，由于研磨、攪拌、噴涂工藝的原因，也可能導致電極材料的顆粒大小、導電性不一致，在電極附近形成的SEI膜也具有一定隨機性導致電池不一致,,,,,,

只能在配組過程中，盡可能挑選電壓、容量相近的電池組成模組。

2、工作環境的不同也是導致電池不一致的重要因素之一

就算單電池一致，在不同外部工作環境下發揮出的性能也會有區別，從而更加促發不一致性的發生（在電池Pack內的熱傳導以及空氣對流、散熱條件不可能均勻發生在每一片電池上），

內部由于化學反應以及極化內阻條件等，不可避免存在吸熱放熱效應，使得電池包內部的溫度場分布不均勻。

所以不均勻性可能導致電池的不一致性，電池的不一致性也會加劇整體不均勻性。

適當減少動力電池的充放電深度（在電池Pack未達到報廢而不同單體一致性差距又較大時）是可以提高電池的安全性、延長電池壽命的，

若在此過程中，增加主動或被動均衡，可以提高安全性、延長壽命的同時更多的保留電池的性能（是有大量的理論分析及實驗數據表明的）。

因此電池Pack自均衡或者交由專業人士進行維護（包括必要的降低放電深度DOD，降低輸出能量）是重要的，不僅可以提高動力電池組的整體有效能量，還可以一定程度延長動力電池組的使用壽命。

有效的均衡控制策略制定與實施是相對比較困難的，（單純以電池電壓作為均衡依據是有偏差的，即認為電壓較高電池放出電荷，電壓較低的電池補充電荷是不準確的，應以電池剩余電量或SOC未判斷依據，電壓檢測是簡單的，而準確的電池剩余電量或SOC統計是非常困難的）

由前文可知電池剩余容量受限于電動汽車頻繁充放電過程、電池老化SOH等因素是沒辦法很好得出的；

每個電池的SOC準確估算也是比較困難。

即使準確知道了電池SOC值與剩余容量，在電池Pack中串聯的N多電池中將電量多的單體電池電量轉移到電量低的單體電池，在成本空間等制約因素下也是不易實現的（若制定較差的均衡策略可能會出現越均衡越不均衡的情況）。

五、剩余能量SOE

在電動汽車中，續使（剩余）里程的估算、剩余能量E剩余的估算以及剩余能量的百分比SOE估算被認為與剩余電量的評估是等價的，這種等價法是不正確的。

剩余電量一定的情況下，電池所帶的化學能量是一定的，然而與電動車續使里程相關的并非僅僅是動力電池的剩余電量，而是電池Pack所能對外輸出的能量。

在電池能量剩余相同的情況下，若以不同大小電流放電，單電池所能對外的能量是不同的。

將電動汽車近似為一個等效電路，虛線內表示電池Pack包，RL表示為車輛行駛過程中的等效負載。

假設外界溫度不變的前提，圖中r的大小是保持不變的，在兩次工作過程中因為負載的不同導致電池的放電電流不一致，記為I1和I2，消耗的能量為I12r和I22r，

在電池化學能量相同情況下，消耗在內阻上的能量是不一樣的，電流大的內阻消耗肯定會大一些，因此釋放的能量就要少一些。

同理若電流不變，而溫度發生變化，內阻也隨著發生變化，消耗在內阻上的能量亦是不明確的，電池對外放出的能量也是不確定的電力，

以上例子說明剩余能量是與剩余里程相關的。

可得的結論是，電池Pack所能釋放的最大能量是隨著電池工況（電動汽車面臨加速上坡等等不同情況）及外界條件（溫度、濕度等等）變化而發生變化的，

但電池Pack所能釋放的最大電荷數量是確定的，不隨將來的工況而變化。類比燃油車，油箱中油量是確認的有多少的，但是能行駛具體多少里程是需要根據當時處于工況和天氣等條件來決定。