详解电池关键参数：SOC、SOH与OCV

详解电池关键参数：SOC、SOH与OCV

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_61973119/article/details/134660207

在新能源领域，电池的荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和开路电压（OCV）是三个关键参数，它们不仅影响电池的性能和寿命，也是电池管理系统的核心监测指标。本文将详细介绍这三个参数的定义、意义以及它们之间的关系，并探讨各种估算方法的优缺点。

一、SOC、SOH、OCV概念

根据YDT2344.1-2011标准，这三个参数的定义如下：

1. 电池组荷电状态（State of Charge, SOC）：电池组实际所充电量和额定容量的比值，即当前状态下以10h率放电至终止电压所能提供的电量与额定容量的比值。（10h率放电数值是0.1C)

2. 电池组健康状态（State of Health, SOH）：电池组在完全充电状态下，电池组实际容量和额定容量的比值。

3. 开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）：OCV是“开路电压”的缩写，指的是在充电或放电状态下，在连续充放电之后，等待电池电流恢复到零的过程中，电池的电压。(电池不接负载时两边的电压）

二、SOC和SOH的意义

新能源的开发和利用越来越受到世界各国的关注，锂离子电池以其优良的特性逐渐成为世界上应用最为广泛的储能元件。因此，保障锂离子电池的安全可靠运行也成为当下的研究热点，然而其荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)无法被直接测量。 SOC 和 SOH 是最关键的状态量。

1. SOC 被定义为剩余容量与最大可用容量之比，其能够量化当前电池内部所剩能量， 准确的 SOC 估算能够提高锂离子电池容量和能量利用率，有利于电池管理系统保证锂离子电池工作在安全运行区间，以延长锂离子电池使用寿命；

2. SOH 通常以电池组在完全充电状态下，电池组实际容量和额定容量的比值来定义，其能够定量描述锂离子电池老化情况，准确的 SOH 估算直接影响锂离子电池性能的 发挥，并为老化锂离子电池的更换提供重要参考依据，对于锂离子电池最佳性能的发挥和安全运行具有 重大意义。

三、SOC和OCV的关系

以磷酸铁锂电池为例，其正极是磷酸铁锂，负极是碳。在不同SOC状态下，锂离子在正负极之间的分布情况不同：

1. 当SOC为0时，锂离子全部在正极；
2. 完全充电时，正极所有的锂离子都镶嵌在负极碳的蜂窝里，SOC容量是100%，C==>LiC6。

值得注意的是，不论SOC的值是多少，磷酸铁锂正极的电压都是3.45V，而负极的电压是变化值。下图展示了磷酸铁锂OCV和SOC的关系曲线：

磷酸铁锂的充放电保护电压

1. 过放保护电压：一般设定在2.0V-2.6V之间。当SOC为0时，OCV的电压值约为1.95V。如果继续放电，负极中的铜离子会移入正极，导致电池失效。因此，实际的过放保护电压一般设定为2V。

2. 过充保护电压：一般设定在3.65V-3.8V之间。电压过高会造成电解液分解，产生大量气体。而电压低于3.8V时，产生气体现象较少。

3. 为什么过充保护电压不是3.45V？ 在充电过程中，电池的内阻会逐渐增大，导致存在一部分压差。磷酸铁锂电池的内阻主要包括欧姆内阻和极化内阻。在温度恒定条件下，欧姆电阻基本稳定不变，而极化电阻会随着电化学影响极化水平的因素变动。

四、三元锂电池SOC和OCV关系

三元锂电池的SOC和OCV之间呈现线性关系，且一一对应。下图展示了这种关系：

五、电池极化反应

1. 极化反应：通电前和通电后电极电位的差叫作过电位差。平衡电极电位是一个没有电流流过时，静止的、相对理想化的状态时的一个电极电位。电池极化就是由于电流的流动，而打破静止状态后，实际电极电位偏离了平衡电极电位的现象。

2. 极化效应带来的影响：电池在停止充放电后的一段时间内，电压并不是恒定的，而是在慢慢变化的，大约在静置1 ~ 2小时后得到的电压才是当前SOC下真正的开路电压。

采集V = IR(电池内阻） + OCV(电池真实电压）
OCV(电池真实电压） = 采集V - IR(电池内阻）

• 充电时：I>0，充电转空闲，电压会回落一部分
• 放电时：I<0，放电转空闲，电压会回升一部分

3. 采用恒流恒压充电的原因：为了消除锂电池的极化反应。恒流阶段，电压逐步上升，直至到达充电截至电压。但是此时电压有一部分是“极化电压”，因此需要通过恒压充电来消除极化现象，直到电流减小至0.05I。

六、SOC估算的传统方法

开路电压法

通过对锂电池在不同充放电状态下的开路电压进行测试，获取锂电池的电压特性曲线，从而根据数据拟合去推算出SOC的数值。以磷酸铁锂单体电芯为例，一般在充满电时电压可达到3.65V左右，在完全放电时截止电压2.5V左右。在电池的充放电过程中，电池的电压是不断变化的。研究发现电池的开路电压跟电池的剩余电量是有一定关系的，什么关系呢？目前没有人推导出SOC和OCV函数映射，所以通常采用最笨的方法——数据拟合。

从上图中可以看出，电池的OCV－SOC曲线与电池放电电压曲线趋势基本相同。在SOC的中间区间（20％＜SOC＜80％）内，电池的OCV变化极小，电池处于平台区；而在SOC的两端区间（SOC＜10％和SOC＞90％），OCV 的变化率较大，整个磷酸铁锂电池的OCV－SOC曲线呈现中间区域平坦，头尾两端陡峭的样子，开路电压法即是利用这一稳定的对应关系进行SOC估计。锂离子电池OCV－SOC关系曲线受温度、放电倍率、老化程度因素影响较小，但在充放电2种状态下，两条特性曲线之间会存在一定差异。

但是锂离子电池的极化效应会使开路电压不准确。极化效应带来的影响就是电池在停止充放电后的一段时间内，其电压并不是恒定的，而是在慢慢变化的，大约在静置1～2小时后得到的电压才是当前SOC下真正的开路电压。所以在测量电池SOC和OCV的关系时，往往是通过HPPC试验，也就是脉冲放电试验，过程就是放电10%，静置1小时，往复循环，直至完全放电。

安时积分法

安时积分法是目前应用最为广泛的一种SOC估算方法。其原理是将充入或流出电池的电流与时间进行积分，根据电池初始时刻的SOC值和充放电的容量，就能得到在某时刻电池内的剩余电量。这种方法操作简单易行，运算量小，但其精度严格依赖于电流传感器的精度。如果电流的测量值不准确，积分过程中误差会进行累积，导致最终的SOC估算误差越来越大，严重偏离真实值。

例如：假设，初始SOC是100%，额定容量100Ah,放电电流100A，持续放电时间100S
那么我们可以计算出在100S里面放电电流100A，放出来的容量时2.78Ah,所以剩余容量就是初始容量-放出容量=新的初始容量（纯理论，实际情况需要考虑长时间的累计误差、温度对容量影响等等）

七、SOH估算方法

放电实验法

锂电池组SOH估算使用放电实验法是最简单的测量方法，对电池进行放电，直至电池电压接近截止电压，则电池放出的电量与电池额定容量比值的百分比就是电池的SOH。但是放电实验法的缺点也很明显，该方法无法在线估计电池的SOH，并且由于需要对电池进行大电流放电，对放电设备的规格要求很高，会增加实验的成本，并且需要对设备进行实时看护。若以0.1C的电流对电池进行放电实验，则需10小时的实验，时间较长，同时进行深度放电会对电池寿命造成影响。另一种放电实验法是对电池进行局部放电，局部放电的精度与电池的放电深度有关

电压陡降法

在电池的使用初期，根据电池电压在发生陡降时的特性来测量锂电池组的SOH。在电池的老化过程中，由于电池内部物质活性的降低，电阻变大，电池的容量和电池的陡降电压都会发生变化，根据陡降电压与SOH的关系来测量SOH。这种测量SOH的方法简单快速，但是不能够进行在线估计，并且需要恒定负载进行放电实验。

电阻折算法

电池的内阻与SOH存在一定的关系。SOH越低，电池内阻越大，通过检测电压、电流、温度等数据，间接计算出电池的内阻值，然后根据SOH与电池内阻的关系计算求得SOH。但是电池的内阻在SOH变化范围不大时变化不明显，而当电池老化严重时电阻值的变化较大，因而该方法在SOH变化较小时，测量的误差会较大。

循环次数折算法

这是一种根据电池的使用次数来估算电池寿命的方法，该方法将电池的寿命等效成循环使用次数。比如电池单次SOC的变化超过10%，则认为电池的循环次数加1，然后根据电池循环次数与SOH的关系求得电池的SOH。

阻抗分析法

阻抗分析法是当今最前沿的SOH测量方法。Feder和Hlavac提出了采用单一频率的交流信号来测量电池的SOH，但是这种方法仅在SOH值较低时精度较好。随后Champlin提出了DFIS(离散频率导抗谱）技术，这个方法是对电池输入不同频率的信号，对采集到的数据进行分析来估算电池参数。

总结：

1. 放电实验法的测量SOH结果最为准确，但是深度放电DOD会对影响电池的寿命;
2. 电阻折算法仅将电阻作为评价SOH的依据，但电池老化时电阻的变化范围较小，因此该方法的误差较大;
3. 阻抗分析法是目前最为前沿的方法，可以根据阻抗谱较为直观的分析SOH的变化，但是该方法需要的成本较高，每台设备约为5万美元。