一文详解SOC、SOH、DOD、SOE

一、前言

根据前一期文章中，某位读者朋友提出的一些意见，本期想说下本人对动力电池中不同状态的理解。

动力电池荷电状态，State of Charge简称SOC；

动力电池健康状态，State of Health简称SOH；

电池包放电深度，Depth of discharge简称DOD；

电池剩余能量，Stete of Energy简称SOE。

二、电池荷电量SOC

电池荷电状态，指的是电池中剩余的电荷的可用状态，常用以下式子定义，

Q额定为电池的额定电荷容量，Q剩余为电池中剩余的电荷余量。

如果认为Q额定是一个固定不变的值，也就是认为剩余的电荷余量总是等于额定容量减去已释放的荷电量的话，则SOC可以用以下式子表示，

Q放电表示最近一次充满电后，电池已经放掉的电荷量。

剩余电量评估是BMS中最为重要的功能之一，系统中其他很多功能是依赖于剩余电量评估的结果的。个人认为如果要正确理解剩余电量的概念，需要注意以下问题：

1、额定容量Q额定与实际最大电荷容量Qtrue是有一定区别的，不同厂家给出的实际最大容量可能是115Ah，也可能是105Ah，但额定容量设定为100Ah，他们实际放出的电荷量和额定容量是不相等的（这也是为什么同样电池容量的车，有的车觉得掉电慢有的觉得掉电快），另外随着电池的老化，电池实际能放出的最大电荷量也是在不断变小。

因此求的SOC值中的分母应该尽可能选用最大电荷容量来选择，并且需要经常性的对电池最大容量值进行校准（这也是为什么需要专业人士来对电池Pack维护的原因）；

其次若无法获取到最大荷电容量，则使用额定容量，此时SOC值可能出现大于100%的情况，这完全是有可能的。

2、剩余电荷量受多种因素的影响，是不能完全释放的。

在前几年日常生活中使用手机，手机在低电量报警状态下，一打电话就立马关机，但重新开机后又可以继续待机几小时；

类推到电动汽车中，动力电池在某时刻所剩电量是一定的，但并不一定能完全以电动汽车所需功率释放而出，这说明电池Pack并非没有剩余电荷，而是剩余电荷不能按照需求以较大电流释放，事实上也是充满电的电池电荷所能放出的最大值是受放电倍率、环境温度等影响，而非恒定值。

3、以放电荷量Q放电测量不一定是准确的，实际使用中，放电一段时间在进行充电，未充满就继续使用，此时式2的计量就是失去了意义。

三、电池健康状态SOH

锂离子动力电池工作原理-当电池充电时，在电池内部，正极的锂金属氧化物经过化学反应产生锂离子，这些锂离子以有机电解质为载体，穿过隔膜，移动到负极，

而负极石墨的呈现层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子可以嵌入到微孔内，嵌入的锂离子的数量越多，充电容量越高。

由于电池在充电过程中内部正极锂离子的减少，负极锂离子的增加，在电池外部表现为正常的端电压升高。

电池放电时其内部化学反应相反，锂离子从负极中脱嵌，回到正极与锂金属化合物结合，正极的锂离子数量增加，负极的相应减少，使电池能量下降，在外部表现为电池的端电压降低。

随着随着动力电池的反复充放电使用，其内部电极活性材料及存量锂离子不断消耗和损失，造成其容量、充放电功率等性能不断衰退，电池逐渐老化，直至达到寿命的终点。

衡量电池的寿命可以分为循环寿命和时间寿命；

电池的一次充放电过程成为一个循环，电池被制造出来开始到不再使用为止，期间所经历的循环次数，成为循环寿命，

它与电池本身的制造工艺有关，也与整个生命周期中的充放电深度、倍率，温度等工作条件有很大关系（该种计量方法，若将电池装在混动车型上，短短几分钟内电池可能经历过许多个充放电周期，这种工作条件，若要统计循环寿命，也许仅仅几天就达到换电池的标准）；

一个电池被生产出来的日子到不再使用为期间所经历的天数，成为电池的时间寿命，同一批次电池，部分如果暴力使用且不维护，部分按照最优寿命的策略来使用并经常性维护，它们的寿命天差地别。

电池从使用开始性能将逐步下降，这是一个不可逆的过程，所以电池的劣化程度越高，越接近于寿命的终点。

电池偶尔也会出现“猝死”的情况，昨天对电池容量测评剩余容量还有90%，今天突然在恶劣的情况下使用，部分锂离子在低温状态下结晶刺穿隔膜，剩余容量快速下降电池报废。

有部分文献将容量衰减与直流内阻谱作为电池健康的状态的指标，个人认为是相对准确的，

对于SOH的概念，“当前的电池容量”是一个应用较广的，被公认最能体现动力电池劣化的外特性评指标。

IEEE 1188 - 2005 标准和 USABC 也共同建议以“电池的容量” 作为衡量动力电池的劣化程度参数，具体使用容量衰减表示，可定义为,

四、电池Pack放电深度DOD

如果把电池从完全放空到完全充满的过程中SOC的变化为记为0~100%，

则在实际应用中，最好让每个电池都工作在5%~95%的区间。低于5%可能会过放高于95%可能会过充，从而发生一些不可逆转的化学反应从而影响电池寿命。

同时在某些时刻且大部分时刻中，电动汽车电池组内的每个电池的容量以及剩余电量是有必然存在不一致的，主要原因有，

1、电池制造过程中定会存在不一致性，

作为化工产品，受材料、工艺等因素的制约，单体电池天生就会不一致，不同批次的电池原材料可能导致电池材料的化学特性存在不一致；

即使同批次原材料，由于研磨、搅拌、喷涂工艺的原因，也可能导致电极材料的颗粒大小、导电性不一致，在电极附近形成的SEI膜也具有一定随机性导致电池不一致,,,,,,

只能在配组过程中，尽可能挑选电压、容量相近的电池组成模组。

2、工作环境的不同也是导致电池不一致的重要因素之一

就算单电池一致，在不同外部工作环境下发挥出的性能也会有区别，从而更加促发不一致性的发生（在电池Pack内的热传导以及空气对流、散热条件不可能均匀发生在每一片电池上），

内部由于化学反应以及极化内阻条件等，不可避免存在吸热放热效应，使得电池包内部的温度场分布不均匀。

所以不均匀性可能导致电池的不一致性，电池的不一致性也会加剧整体不均匀性。

适当减少动力电池的充放电深度（在电池Pack未达到报废而不同单体一致性差距又较大时）是可以提高电池的安全性、延长电池寿命的，

若在此过程中，增加主动或被动均衡，可以提高安全性、延长寿命的同时更多的保留电池的性能（是有大量的理论分析及实验数据表明的）。

因此电池Pack自均衡或者交由专业人士进行维护（包括必要的降低放电深度DOD，降低输出能量）是重要的，不仅可以提高动力电池组的整体有效能量，还可以一定程度延长动力电池组的使用寿命。

有效的均衡控制策略制定与实施是相对比较困难的，（单纯以电池电压作为均衡依据是有偏差的，即认为电压较高电池放出电荷，电压较低的电池补充电荷是不准确的，应以电池剩余电量或SOC未判断依据，电压检测是简单的，而准确的电池剩余电量或SOC统计是非常困难的）

由前文可知电池剩余容量受限于电动汽车频繁充放电过程、电池老化SOH等因素是没办法很好得出的；

每个电池的SOC准确估算也是比较困难。

即使准确知道了电池SOC值与剩余容量，在电池Pack中串联的N多电池中将电量多的单体电池电量转移到电量低的单体电池，在成本空间等制约因素下也是不易实现的（若制定较差的均衡策略可能会出现越均衡越不均衡的情况）。

五、剩余能量SOE

在电动汽车中，续使（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估算被认为与剩余电量的评估是等价的，这种等价法是不正确的。

剩余电量一定的情况下，电池所带的化学能量是一定的，然而与电动车续使里程相关的并非仅仅是动力电池的剩余电量，而是电池Pack所能对外输出的能量。

在电池能量剩余相同的情况下，若以不同大小电流放电，单电池所能对外的能量是不同的。

将电动汽车近似为一个等效电路，虚线内表示电池Pack包，RL表示为车辆行驶过程中的等效负载。

假设外界温度不变的前提，图中r的大小是保持不变的，在两次工作过程中因为负载的不同导致电池的放电电流不一致，记为I1和I2，消耗的能量为I12r和I22r，

在电池化学能量相同情况下，消耗在内阻上的能量是不一样的，电流大的内阻消耗肯定会大一些，因此释放的能量就要少一些。

同理若电流不变，而温度发生变化，内阻也随着发生变化，消耗在内阻上的能量亦是不明确的，电池对外放出的能量也是不确定的电力，

以上例子说明剩余能量是与剩余里程相关的。

可得的结论是，电池Pack所能释放的最大能量是随着电池工况（电动汽车面临加速上坡等等不同情况）及外界条件（温度、湿度等等）变化而发生变化的，

但电池Pack所能释放的最大电荷数量是确定的，不随将来的工况而变化。类比燃油车，油箱中油量是确认的有多少的，但是能行驶具体多少里程是需要根据当时处于工况和天气等条件来决定。

标签： 剩余电量 电动汽车 额定容量