混合動力特種車輛動力電池組應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

高　峰，　劉勝利，　劉　睿，　李軍求

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2. 北京理工大學，北京 100081)

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混合動力特種車輛動力電池組應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

高峰1，劉勝利1，劉睿1，李軍求2

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2. 北京理工大學，北京 100081)

分析了動力電池組的匹配、能量管理、熱管理、安全保障等關(guān)鍵技術(shù)，提出了鋰離子動力電池組狀態(tài)信息可預估(信息采集與估計)、工作可控(均衡管理，熱管理、安全管理)、可擴性(模塊化組配)等成組關(guān)鍵技術(shù)的解決措施.

鋰離子電池；能量管理；熱管理；安全管理

現(xiàn)代戰(zhàn)爭正演變?yōu)橐詳?shù)字化、信息化武器為主的高科技戰(zhàn)爭，使得特種車輛電能供給需求急劇增加.例如美軍的“悍馬”車剛開始對電能需求不到5 kW，而目前已經(jīng)超過15 kW[1].我國以機械、液壓為主的特種車輛對電功率的需求一般不超過20 kW，而混合動力的特種車輛對電功率的需求已經(jīng)超過800 kW.同時未來將不斷采用大量高能武器，如電熱化學炮、電磁炮、高能激光武器等，這些新概念武器將會使電能需求急劇增加.在美軍地面作戰(zhàn)車輛儲能研究項目與目標中規(guī)定，目前電熱化學炮發(fā)射需要1 MJ的電能，2016年激光武器所需功率為2 MW，2020年電磁軌道炮所需功率為30 MW，因此必須發(fā)展高功率車載電能儲能技術(shù)[2].

在現(xiàn)有的動力電池技術(shù)水平下，特種車輛必須采用多塊電池構(gòu)成的電池組來滿足使用要求，復雜的使用工況和環(huán)境條件加劇了電池性能多尺度非線性變化，電池成組后性能和壽命遠遠達不到電池單體原有水平，嚴格的尺寸重量約束和使用安全性等要求給電池成組應(yīng)用帶來較多技術(shù)難題.為此，特種車輛動力電池成組應(yīng)用還有很大研究前景和發(fā)展空間，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有電池組匹配技術(shù)、能量管理技術(shù)、熱管理技術(shù)以及安全管理技術(shù)，等等.

1　電池組匹配技術(shù)

動力電池匹配設(shè)計需要細致了解目標車型對能量、功率、環(huán)境溫度特性等多方面要求，同時還需要考慮電池高低溫充放電和容量衰減特性.基于目前單體電池電壓和容量的限制，混合動力特種車輛電池系統(tǒng)方案采用先并聯(lián)達到所需容量，再串聯(lián)達到所需總電壓.串并聯(lián)電池組各有其特征，其中串聯(lián)電池組性能受限于最弱的單體電池，而并聯(lián)系統(tǒng)因單體及環(huán)境差異會出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，并且電池間會出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象.電池組串聯(lián)使用壽命由于“短板效應(yīng)”受制于最差單體使用壽命，并服從正態(tài)分布(圖1(a))，串聯(lián)數(shù)量越多，與單體電池使用壽命相差越大.某混合動力特種車輛使用70Ah/900V的240節(jié)鋰離子電池的串聯(lián)方案，其持續(xù)放電功率達到220 kW，瞬時放電功率達到450 kW.采用正態(tài)分布方法建立壽命預測模型，得到了串聯(lián)電池組使用壽命的可靠度、概率密度對比，如圖1所示.從圖1中可以看出：隨著電池組串聯(lián)塊數(shù)的增加，可靠性變差，平均壽命減少.240節(jié)串聯(lián)電池組可靠度為50%時使用壽命為1 300次，相比單體電池2 500次使用壽命減少48%.分別對240節(jié)串聯(lián)電池組和50節(jié)串聯(lián)電池組進行了循環(huán)壽命試驗，240節(jié)串聯(lián)電池組在500次就出現(xiàn)了個別單體性能下降，50節(jié)串聯(lián)電池組在800次出現(xiàn)個別單體性能下降.

圖1　串聯(lián)電池組壽命預測可靠度和串聯(lián)塊數(shù)的關(guān)系

電池組在實際使用過程中，由于車載環(huán)境、使用方法、自放電的程度的差異性，逐漸加大了單體電池間的不一致性，需要開發(fā)簡便、快速、有效的方法對電池的一致性進行度量.電池的不一致性度量指標包括容量、開路電壓、內(nèi)阻、阻抗譜、自放電率、倍率特性、重量，等等，這些指標之間存在相互關(guān)聯(lián)，需要通過進一步試驗，并利用系統(tǒng)建模、仿真等手段，明確各個指標與電池組件、結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，排出指標的優(yōu)先次序，實現(xiàn)能量需求與單體數(shù)量的最佳匹配.

2　電池管理控制技術(shù)

2.1電池SOC估算技術(shù)

由于電池工況、環(huán)境溫度、自放電、容量衰減等因素對電池SOC的非線性影響，使得準確估計電池SOC有很大難度.目前常用SOC估計方法有安時計量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯推理算法、神經(jīng)模糊預測算法和卡爾曼濾波法.在上述電池SOC估計方法中，安時計量法簡單可靠、易于實現(xiàn)，是最常用的SOC估計方法，安時計量法適用于所有電池，但電流采集精度和實時性對積分精度影響很大.若電池單體電壓不能被實時高精度測量，那么采用單片機軟件積分，但此方法也很難保證實時和高精度，長期積分積累就會導致誤差越來越大.基于此原因，某特種車輛的900V鋰離子電池管理系統(tǒng)方案中，采用專用電能積分芯片與分流器完成該部分工作，實時性高，比如帶有電能計算功能的CS5460A芯片，采樣頻率可達4 000點/秒，每一秒結(jié)束時CS5460A通過SPI口將前一秒內(nèi)的電能計算結(jié)果傳給單片機，電流采樣和安時積分由外圍芯片CS5460A完成，單片機只負責簡單的定時累加功能.

但是特種車輛實際運行中起步頻繁，很難獲得電池穩(wěn)態(tài)開路電壓值，安時積分法無法得到電池SOC初始值，導致初始值估計不準，造成SOC估計精度不高.為解決電池SOC估計的初始值和魯棒性問題，電池管理系統(tǒng)的SOC估算在安時積分法基礎(chǔ)上采用了卡爾曼濾波方法，即為最小方差意義上的最優(yōu)估計.將電池看成動態(tài)系統(tǒng)，SOC是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)卡爾曼濾波增益得到SOC的最優(yōu)估計，估計模型一般數(shù)學形式為：

1)狀態(tài)方程為

xk+1=Akxk+Bkuk+wk=f(xk,uk)+wk；

(1)

2)觀測方程為

yk=ckxk+vk=g(xk,uk)+vk；

(2)

3)SOC的狀態(tài)方程為

(3)

電池是一個非線性系統(tǒng)，采用基于簡單線性系統(tǒng)模型的卡爾曼濾波算法估計時誤差較大，甚至導致發(fā)散.而擴展卡爾曼濾波是將非線性函數(shù)進行泰勒展開，保留一次項得到非線性系統(tǒng)的線性化模型，該方法適合于電池電流波動比較劇烈的使用工況，但其缺點是對電池性能模型精度及電池管理系統(tǒng)的計算能力要求較高[5-6].某混合動力特種車輛的70Ah/900V鋰電池組采用擴展卡爾曼濾波算法估計電池的基本參數(shù)，并對電池組SOC初始值進行修正，其動態(tài)誤差可以控制在5%以內(nèi)，接近國際水平.

2.2電池峰值功率估計

電池峰值功率實時估計是要滿足車輛的加速和爬坡性能，最大發(fā)揮電機再生制動能量的回收功能，避免電池出現(xiàn)過充/過放現(xiàn)象.

電池峰值功率估計方法通常有基于電壓法、基于電池SOC法以及基于電池動態(tài)模型多參數(shù)約束法，其中基于電池動態(tài)模型的多參數(shù)約束方法更能反映混合動力特種車輛電池的使用工況，圖2是基于電池P-H模型的多參數(shù)約束下動態(tài)峰值功率運算流程圖.

圖2　基于P-H模型的多參數(shù)約束動態(tài)峰值功率運算流程

針對某混合動力特種車輛70Ah/900V鋰電池系統(tǒng)應(yīng)用方案中一個電池模組，為表征混合動力車輛功率需求特性，選取DST循環(huán)工況進行仿真分析，采用不同充放電峰值功率估計方法進行對比分析，仿真結(jié)果見圖3.圖3中VIS表示基于動態(tài)模型的多參數(shù)約束峰值功率預測，運算流程參照圖2.電池動態(tài)模型采用了內(nèi)阻模型和P-H模型，相比HPPC方式，多參數(shù)約束的峰值功率預測更好地反映了電池動態(tài)工作特性，電池大電流放電后可瞬時吸收較大電流，充電能力大幅提升，并且基于P-H模型要比基于內(nèi)阻模型的動態(tài)峰值功率更合理，更符合特種車輛電池的實際使用工況.某混合動力特種車輛的試驗峰值功率預測的準確率大于90%.

圖3　DST循環(huán)工況下電池模組充電與放電峰值功率預測結(jié)果比較

電池系統(tǒng)在實際使用過程中峰值功率估計受居多因素影響，僅考慮電池SOC和動態(tài)工況等因素是遠遠不夠的，需要與電池使用壽命、電池故障診斷、工作溫度等因素聯(lián)系，因此電池充放電功率估計方法如下：

1)根據(jù)電池不同溫度、不同SOC下電池的內(nèi)阻及輸入、輸出功率的試驗數(shù)據(jù)，制成或建立電池允許輸入、輸出的最大或連續(xù)功率的MAP圖或模型；

2)根據(jù)當前電池SOC、溫度、內(nèi)阻以及運行工況等狀態(tài)，從MAP圖或模型中確定電池最大或連續(xù)功率；

3)考慮電池故障級別進行修正，對于輕微或者一般故障不需限制，或者根據(jù)情況降低功率，對極其危險故障則立即切斷輸出.

2.3電池不一致性與電壓均衡

電池組隨著使用時間增加，單體電池電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等參數(shù)之間的差別會變得越來越大，不僅減少電池的可用容量范圍，也會降低電池組的壽命，甚至帶來安全隱患，需要合理規(guī)范電池充放電倍率、SOC工作范圍和環(huán)境溫度等因素.其評價指標包括電壓標準差與相對標準差、電壓極差與相對極差.電壓標準差反應(yīng)了電池模組電壓一致性的好壞，揭示了電池模組的整體均勻性.相對標準偏差反映了電池組的不一致性程度，可以作為電池組的離散度.電壓極差和相對極差也是電池組一致性的重要指標，可以反映電池組整個充電、放電過程極端單體電池對電池組利用率的影響.

影響電池組電壓不一致性因素主要包括電池初始不一致性和使用過程中單體電池內(nèi)部變化導致的不一致性，電池初始不一致性主要受電池制造工藝和電池出廠篩選標準影響，而電池組使用過程中電壓不一致性受電池工作溫度、電池放電倍率和電池SOC關(guān)系影響.圖4是某混合動力特種車輛70Ah/900V電池系統(tǒng)小模組使用過程中不一致性特性，從圖4看出：電池組電壓一致性在放電后期很差，且隨著放電倍率的增大逐漸變差，同時溫度降低一致性變差；且電池SOC在0.4～0.8之間一致性較好，而兩端較差.

圖4　放電倍率、SOC和環(huán)境溫度對電池電壓不一致性的影響

電池均衡設(shè)計是解決電池不一致性比較有效的一種方式，但增加了電池管理系統(tǒng)復雜程度，同時降低管理的可靠性，管理不好可能加劇電池的不一致性，目前電池均衡方式分為非耗散式與耗散式兩大類.1)非耗散式是利用分流元件或電壓/電流轉(zhuǎn)換器件將能量從一節(jié)單體轉(zhuǎn)移到另一節(jié)單體，電池能量不損失.非耗散式是電池組均衡電路有電容與開關(guān)陣列[3]、雙向隔離反激式DC/DC變化[4]、同軸多繞組變壓器均衡、雙向非耗散型電流分流均衡[5]，等等.非耗散式電池組均衡電路的特點是結(jié)構(gòu)復雜、可靠性低，工程實現(xiàn)難度大，從而實際應(yīng)用不多.2)耗散式是將電池組中需要均衡的單體電池用電阻或其它方式將電池能量耗散掉，實現(xiàn)電池單體電壓的均衡.耗散式電池均衡電路一般采用公用電阻型耗散式均衡電路.耗散式電池的特點是結(jié)構(gòu)簡單，消耗能量有限，易于工程實現(xiàn)， 且能夠滿足電池單體均衡的指標，因此目前應(yīng)用較多.圖5為7 Ah/900 V鋰電池組公用電阻耗散式均衡電路圖.

圖5　共用電阻型耗散式均衡

3　電池熱管理技術(shù)

動力電池性能、壽命、安全性均與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度過高會加快電池負反應(yīng)的進行、會增大衰減，甚至引發(fā)安全事故；溫度過低電池釋放的功率和容量會顯著降低，甚至引起電池容量不可逆衰減，并埋下安全隱患.電池熱管理系統(tǒng)主要作用是使電池組工作在合理溫度范圍內(nèi)，并使不同位置電池和電池不同部位的溫度差異盡可能小，一般電池組內(nèi)部溫差要小于5 ℃，工作溫度在15～35 ℃范圍內(nèi)，其中電池熱分析模型描述了電池生熱、傳熱、散熱的規(guī)律，能實時計算電池的溫度變化，與散熱組成一個典型時變的內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)導熱過程.

電池組熱管理系統(tǒng)主要包括電池散熱、加熱和熱測量，其中散熱傳熱介質(zhì)主要有空氣、液體與相變材料3類.液體的散熱效果理論上好于空冷系統(tǒng)，而采用相變材料進行散熱的效果一般要優(yōu)于電扇風冷.加熱有內(nèi)部加熱和外部加熱，內(nèi)部加熱就是在電池正負極之間賦加交流電源，從電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量.外部加熱主要有空氣對流加熱、加熱板或套加熱以及波爾貼效應(yīng)加熱.熱測量通過測溫元件測得電池組不同位置的溫度，據(jù)此熱管理系統(tǒng)控制電路進行散熱如風扇、水/油泵的動作決策，通常根據(jù)電池所處的溫度區(qū)域進行分級管理.電池熱分析模型是電池熱管理設(shè)計的關(guān)鍵，以70Ah/900V鋰電池為研究對象，借助電池熱模型仿真分析獲取電池生熱特性，電池組通過風扇散熱和PTC(電子加熱設(shè)備)加熱，獲得散熱規(guī)律，結(jié)果如圖6所示.鋰電池工作特性不僅與溫度有關(guān)，而且與充放電電流的倍率關(guān)系密切.當環(huán)境溫度較低時，給鋰電池加溫；當環(huán)境溫度較高時，通過合理合計風道及出風口，給鋰電池降溫.總之能夠在保證安全的情況下，大幅提升鋰電池的充放電特性.

圖6　溫升與外界溫度和放電電流的關(guān)系

4　電池安全管理技術(shù)

車用動力電池成組應(yīng)用給安全問題帶來了新的挑戰(zhàn).電池高能量密度，使得電池散熱能力相對產(chǎn)熱能力變小，熱可控性降低，容易導致溫度不均和局部熱點，而大型化發(fā)展也使得有限的電壓、溫度的測量誤差增大，導致電池狀態(tài)的可知性減小，對安全系數(shù)提出了更高的要求，增加了電池間連鎖失控這一新的隱患.

目前小型鋰離子電池已采取了多種多樣的安全機構(gòu)與安全措施，電池內(nèi)部裝有溫度保險器件(PTC)、壓力安全閥、電流切斷器(CID)、低熔點隔膜，等等.上述一些安全措施在動力電池上很難使用，其原因是動力電池一般容量大，充放電電流較大，采樣CID將會增大內(nèi)阻，導致電池溫度不均勻性加劇，很可能導致隔膜局部出現(xiàn)融化，致使正負極大面積接觸引發(fā)電池內(nèi)部短路，從而引發(fā)更嚴重的事故.

動力電池還存在高壓安全的問題，所以在電池箱設(shè)計和安裝時采取絕緣設(shè)計、電池箱體與車體等電位等措施，并通過定時檢測，預防絕緣老化及絕緣故障發(fā)生.另外電池的熱失控常常引發(fā)冒煙、著火、爆炸等安全事故，這一直是困擾鋰離子電池發(fā)展的一大問題.70Ah/900V鋰電池組的絕緣檢查，采用商用汽車專用絕緣檢測模塊.其適用范圍為300～1 000 V，70Ah/900V鋰電池組管理系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測的絕緣阻值，進行預警、報警和關(guān)斷電池組輸入、輸出，確保人身安全.為了防止電池組發(fā)生熱失控，還應(yīng)嚴格控制電池組的充放電電流，并在每個電池模組內(nèi)設(shè)置5個溫度監(jiān)測點.70Ah/900V鋰電池組管理系統(tǒng)根據(jù)電池組的溫度對電池組充放電進行控制，超過設(shè)置閥值，進行預警、報警處理.

5　結(jié)　論

依據(jù)某混合動力特種車輛應(yīng)用70Ah/900V鋰電池組進行了鋰電池成組關(guān)鍵技術(shù)的研究.動力電池作為混合動力特種車輛的核心技術(shù)，其成組應(yīng)用技術(shù)在我國尚處于技術(shù)發(fā)展的初期階段，通過近幾年的研究表明，鋰電池組總電壓應(yīng)控制在1 000 V以內(nèi)，串聯(lián)單體的數(shù)量應(yīng)控制在250節(jié)以內(nèi)為宜，否則，鋰電池組循環(huán)壽命會急劇下降，嚴重影響鋰電池的壽命.鋰電池管理不僅實現(xiàn)了單體電池的精準測量，而且將SOC估算的精度從90%提升到95%，峰值功率預測的準確度從85%提升到90%.電池組的內(nèi)部單體電壓的均衡度能控制在40 mV之內(nèi)，同時，通過仿真及試驗驗證了錳酸鋰組的生熱特性、加熱規(guī)律，并獲取了70Ah/900V電池組熱場分布特性以及增加散熱裝置后的熱場分布特性,初步掌握了70Ah/900V錳酸鋰電池組的生熱熱性和散熱特性，為熱管理系統(tǒng)的控制提供了有限的數(shù)據(jù)支撐.未來需要在鋰電池的狀態(tài)監(jiān)測、均衡管理、故障診斷以及成組的模塊化設(shè)計等方面加強研究與探索，爭取實現(xiàn)鋰電池在特種車輛上的工程化應(yīng)用.

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Analyzing for Key Technologies of Power Battery Pack of Special HEV

GAO Feng，LIU Sheng-li，LIU Rui，LI Jun-qiu

(1.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China；2. Beijing Institute of Technology，Beijing 100082，China)

Four key technologies are analyzed such as the assembly of cells into the battery, thermal management, electric energy management, and safety in this paper . The key solutions to Li-ion power battery pack are proposed such as predictability(conditions monitoring and estimating), controllability(equalizing management, thermal management and safety) and extendibility(model assembly).

Lithium-Ion batteries; battery energy management; battery thermal management; battery safety managment

1009-4687(2016)03-0059-06

2015-10-13;修回稿日期：2016-04-19

高峰(1979-)，男，副研究員，研究方向為機電總體技術(shù).

U463.63+3；TM912

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