摘要：锂离子电池作为电动汽车的主要储能动力源，是影响电动汽车动力性和经济性的主要因素。锂离子动力电池系统的SOC使用范围的设计是动力电池系统设计的难点，目前尚无统一认识。为了更好地利用电池，本文从功率需求、容量需求、效率、寿命等角度对锂离子电池系统SOC使用范围进行综合分析。

    SOC（State of Charge）即电池的荷电状态，在电池手册第3版中的定义是：电池可用容量和额定容量的百分比。这也是现在国内外比较普遍采用的方法，为电池可用容量Q1和电池额定容量Q。的比值：SOC=Q1/Qo。
    混合动力汽车用动力电池系统的SOC需要实现实时在线估算，因此，一般将车载状态较容易测量的电流、时间、电压和内阻等参数，输入预设的模型和算法中进行估算得到电池的剩余容量，而电池的额定容量一般在使用之前进行测试得到。
    上述的SOC定义是针对电池单体，对于电池系统目前还没有较统一的定义，实际使用过程中，较简单的办法是将电池组等效为电池单体。为确保电池的安全性，常使用性能最差电池单体的SOC来定义电池组的SOC1。
    在混合动力汽车中动力电池系统设计过程中，SOC使用范围的选择对电池系统的安全性、性能和寿命等有重大影响。
    安全性是系统设计首先考虑的因素，但由于混合动力的电池系统通常SOC区间一般会在中间部分，大多会在30%～80%，这样出现过充和过放问题的可能性较小。除安全性以外，SOC的使用范围的选择还需要从以下几个方面综合考虑。
    1）根据电池系统的峰值充放电功率需求选择
    根据电池系统的峰值充放电功率的需求选择SOC的使用范围。混合动力汽车的电池系统在其SOC范围内必须满足负载的峰值功率要求。该功率要求包括电机及电机控制器等负载的峰值放电功率要求；反馈过程的峰值充电功率要求；以及峰值充放电功率所对应的持续时间。
    电池系统是用来向负载提供电功率的，因此它必须满足负载的工作要求，需要保证在其SOC使用范围内电池组的峰值放电功率应大于负载的最大功率需求（此处不考虑传递效率问题）。
                      Pd ≥P1（1）
    式中：Pc----电池系统输出的峰值放电功率；Pr----负载最大功率需求。
    同时，电池系统还要接受充电功率，为了尽可能多接受回收的能量，提高燃油经济性，虽然可以不完全吸收，也应该满足所设定的峰值充电功率要求（此处不考虑传递效率问题）。
                      Pc≥ Pr          （2）
    式中：Pc----电池系统的峰值充电功率；Pr----充电过程的峰值充电功率。
    如图1所示，对某电池系统建立SOC与其充放电10s峰值功率的关系图，图1中10 kW处的曲线为系统所需要提供的最小充电功率和放电功率的限值线。针对其充放电功率的要求，选择同时大于等于峰值充放电功率限值线的可用SOC区间，只有SOC在20%～50％才能满足系统所需的功率要求。

    2）根据整车工况能量需求选择
    SOC控制区间的选择还要根据整车工况能量需求确定。根据整车的爬坡、加速等工况制度，确定需求的最低可用能量，然后通过选择不同规格的电池系统进行模拟仿真，分析针对不同电源系统产生的油耗情况，决定电池系统的最低可用能量。再依据动力系统的电压平台，选择适当的总能量与SOC使用范围。
    3）根据系统效率的最优区间选择
    热力学第一定律指出：一个热力学系统的内能增量等于外界向他传递的热量和对外界做功的和。对于电池系统，其能量的输出过程中，能量分别分配到电池系统内部阻抗和外界负载上，如果系统内部阻抗消耗较高，电池系统输出总能量恒定前提下，则对外界负载输出的能量较低，输出效率会降低。输出效率主要就是对电池系统内阻的考虑。电池在混合动力汽车HEV中用于功率调峰，应当经常工作在内阻较低的SOC范围内。
    图2是对某款三元锂离子电池应用HPPC测试方法测得电池不同SOC下的功率分布，在SOC中间区域内阻较小，此区域内对外输出效率较高。

    效率是考核电池系统的重要指标，对整车来说，系统能量效率越高越好，根据整车的应用工况，测试不同SOC范围内的能量效率，确定最大的能量效率下的SOC应用范围。通常充电和放电电压最平稳的阶段就是能量效率最好的区间，在此区间内，充电或者放电电压不会有较大的变化，能量效率最稳定，且较高。
    此外，不同的SOC区间，电池系统内各电池单体的一致性不同，其中SOC较高和较低的区域的电池参数的偏差较高，中间区域的一致性偏差较低，尽量选择一致性较高区域，来保证较高的系统输出效率。针对4个电池模组进行电压极差检测，电池在40%～80％的区域极差较小，电池一致性较高，如图3所示。

    4） SOC使用区间对应不同的系统寿命
    对于电池系统而言，不同的SOC使用区间对应不同的系统寿命。一般而言，系统SOC区间越大，寿命越小。其循环寿命基本符合指数增长（图4）.但是如果单方面为了增长系统寿命而加大电池系统的能量，来减小SOC使用区间，对于系统成本和系统布置都会产生不利影响，因此还需要考虑电池系统的成本接受程度。因为造成的成本变化对整车成本是个非常敏感的因素。

    此外，即使相同的SOC使用区间，但是起始点不同的话，即同样的DOD（depth of discharge，电池放电深度）范围，相同SOC使用区间情况下的其系统寿命也存在差异。此处考察点就是对SOC均值的影响，见图5，在同样的△SOC=20情况下，针对不同的SOC均值（35%、45%、 55%）的吞吐量与SOC的关系可以发现，均值越小，其寿命越长。

    5）其他影响因素
    在SOC使用区间的选择中还需要考虑容量方面的需求、电池系统老化以及BMS检测误差的影响等因素。
总之，SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素，并且以上因素可能相互制约，只有在这些因素中找到平衡点，才可获得SOC使用区间的最佳方案。