动力电池是电动车的重要零部件，动力电池通常采用锂离子电池，因为与其他类型的电池相比较，其单位质量的能量高，高功率密度、高能效和高温下性能稳定等特点。
source:
废旧锂离子电池使用现状及资源化利用 (chinaacme.net)
锂离子电池的类型可根据其阴极或正极的化学成分来分类，可分为
镍锰钴（NMC），镍钴铝（NCA）和磷酸铁锂（LFP）
等
类型
。
其中，NMC是最主要的动力电池类型，其市场份额约为60%左右，
NCA的份额约为 8%左右。它俩
性能出色，但成本高，因此多用于高端电动车。
而LFP价格低，性能
更稳定，因此
多用于经济型电动车。
对于电动车，不管采用何种类型的动力电池，都需要对动力电池的状态进行控制和估算，比如SOC，SOH和均衡等功能。
2.1 什么是SOC？
SOC
（State of Charge）是电池相对于其容量的电量水平，用百分比表示，它用于确定电池的剩余电量。SOC是动力电池最关键的参数之一，它对预测电池的性能和使用寿命最重要。
2.2 如何估算SOC？
估算SOC有很高的技术含量，会使用到很多种技术方法，包括开路电压法、安时积分和阻抗测量等。
铅酸蓄电池的 SOC 与其开路电压 (OCV) 的关系近似线性，基于电池 OCV 的方法是：当电池与负载断开时间超过两小时时，电池的 OCV 与 SOC 成正比。
但锂离子电池与铅酸蓄电池不一样，其 SOC 与
OCV 与的关系不成
线性
，其关系可以
通过对锂离子电池施加脉冲负载，让其达到平衡来确定
，
如下图所示
：
source:
BMS（电池管理系统）第四课 ——核心！！！SOC算法开发
由上图可以看出不同类型的锂离子电池
SOC 与
OCV
的关系不相同，所以对于不同的电池需要测量各自OCV-SOC 曲线，以此获得准确的SOC。
（2）库仑计数法
库仑计数法是
测量电池容量的理想方法
，即通过测量一段时间内流入和流出的电流，进而得到流入或者流出的电量，即：
SOC = 总容量 - （放电电流 - 充电电流）*时间
根据电池测量系统的不同，有多种测量放电或充电电流的方法。
-
电流分流器：
用
分流器
测量电流，电流流经分流器产生电压降，从而可测量到电流信息，这种方法会产生轻微的功率损耗。
-
霍尔效应传感器：
通过磁场变化测量电流，相对于电流分流器，它能消除典型的功率损耗问题，但成本高。
-
巨磁电阻传感器：
用作磁场检测器，比霍尔效应传感器更灵敏，精度更高，但成本更高。
下图描述了在不同时间测量的放电电流，用来计算一定时间内的总放电电荷量。库仑测量涉及的计算相当复杂，主要由微控制器完成。
source:
一种安时积分估算锂电池SOC方法与流程
库仑计数法也叫
安时积分
法，可有效量化一段时间内的电量，提供动态、连续的状态更新。
安时积分
法会因传感器漂移或电池性能变化而随时间累积误差。
（3）基于模型的方法
基于模型的方法，包括电化学阻抗频谱法和等效电路模型，通过模拟电池的电化学反应和电气行为来深入
分析
SOC，评估电池内阻、容量和其他关键参数，从而全面了解各种运行条件下的 SOC。
另一种常用的基于模型的方法是
卡尔曼滤波方法
，它通过融合多个传感器的数据来精确估算SOC。不过卡尔曼滤波法同样容易受到传感器漂移、极端温度变化和电池行为变化等外部因素的影响，造成估算有偏差的情况。
source:
基于安时积分和无迹卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估算方法研究
对于SOC估算，工程应用中通常都不是单纯地使用以上的一种方法来处理，而是综合运用上述的多种方法来准确估算SOC。比如使用安时积分数法开路电压法快速获得基本数据，再使用卡尔曼滤波方法是获取更精确的SOC信息。
2.3 SOC的重要性
-
防止电池损坏
。BMS控制 SOC 在20%-80%范围，可防止电池过度磨损，延长 SOH、容量和运行寿命。
-
性能最大化。
电动车电池在特定的 SOC 范围内运行时可实现最佳性能，包括高效的电力传输和强劲的加速性能。
-
估算行驶里程。
SOC直接影响电动汽车的行驶里程。
-
优化能效。
精确的SOC估算可最大限度地减少能源浪费，同时最大限度地利用再生制动延长行驶里程。
-
确保充电安全。
BMS 利用 SOC 读数来调节电动汽车电池的充电速率，采用涓流充电和受控快速充电等技术来保护电池寿命。
3 SOH
电池健康状态
(S
OH,
State of Health
)
是评估电池整体健康和性能的关键参数。
SOH
是指电池的容量或当前状态与其理想状态的比较，确定电池可用或剩余寿命的百分比。
电池单体的 SOH下降主要是由电池老化和退化引起的，
也就是说，随着电池的使用或储存，电池容量会降低，内阻会增大。
source: http://xuebao.sjtu.edu.cn/CN/Y2022/V56/I4/413
BMS一般通过监测电池内阻、容量衰减和循环次数等参数，长期跟踪电池的健康状况。当电池性能下降超过一定临界值时，它会向用户或系统控制器提供诊断和警报，以便进行主动维护或更换。
随着电池老化，其内部阻抗也会增加，就像电阻一样。因此可使用阻抗测量来估计电池的健康状况。电池阻抗可通过 EIS 方法进行测量，该方法采用不同频率的交流电，并将阻抗作为频率的函数进行识别。
不过EIS 是一种复杂的解决方案，无法满足每个BMS的要求，也可能与电池的运行条件不匹配。因此
要测量SOH，必须记录初始阻抗或电导，制造商通常会提供初始阻抗。
下面我们来看一个实际的例子：假设阻抗测量值为70mΩ，电池初始状态阻抗是50mΩ。那么
阻抗百分比=(当前阻抗/初始阻抗)*100=(70/50)*100=140%。
阻抗增加百分比=阻抗百分比-100=140-100=40%。
所以阻抗增加了40%。
现在我们来计算SOH，假设电池的初始容量为1000mAh，因此：
损失的容量=(阻抗百分比/100) x 初始总容量=(40/100)x1000=400mAh
SOH=(初始总容量 - 损失容量)/初始总容量= 600mAh/1000mAh=60%
（2）充放电周期估算
锂离子电池的健康状况与其循环寿命之间存在一定的关系。因此计算剩余的充放电循环次数是最简单、最有效的 SOH 估算方法。
在这种
情况下，电池制造商标称的循环寿命可作为参考点。
尽管这种做法很简单，但由于电压和电流等一些重要因素会影响电池的状态，因此很难达到很高的精确度。
另外，用于测量电池充电状态SOC的技术同样适用于 SOH 估算，比如：
与 SOC 估算一样，SOH 通常也是通过混合多种测量方法来定义的。这种方法允许BMS从多个不同角度探查电池，并准确地得到其状态。
通过了解SOH，制造商和操作人员可以在电池维护和更换方面做出更好的决策，总之准确的SOH仍将是确保电池系统可靠性和使用寿命的关键。
4 电池均衡
通过被动和主动电池均衡，可以使电池单体保持健康的SOC。这不仅能延长电池的循环寿命，还能防止电池单元因深度放电和过度充电而损坏。
4.1 为什么需要电池均衡？
电池组由许多连接在一起的电池单体组成，
当电池单体的状态发生变化时，电池组就会失去平衡而无法完全充电或完全放电，这种不平衡也会导致电池加速老化，这降低了电池性能，也将缩短了电池的使用寿命。
电池失衡在制造和工作过程中都可能会出现。在制造过程中，电池组可能由SOC、容量、阻抗或使用年限略有不同的电池组装而成，这意味着组装后的电池组在开始使用时就已经失去平衡，在运行过程中，电池单体的排列以及布局等设计因素也可能导致电池组失去平衡。
