純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)研究

張友龍 袁文強(qiáng) 芮凱 朱成燕

摘 要：隨著環(huán)保、全球變暖等問(wèn)題日漸顯著，世界各國(guó)紛紛制定燃油車輛禁售時(shí)間表。純電動(dòng)汽車等新能源汽車成為替代燃油汽車的最佳選擇。動(dòng)力電池等關(guān)鍵技術(shù)成為制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，文章主要從應(yīng)用層面對(duì)動(dòng)力電池的評(píng)價(jià)、性能影響因素及電池管理系統(tǒng)進(jìn)行論述，為動(dòng)力電池選擇及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；評(píng)價(jià)指標(biāo)；性能因素；電池管理

中圖分類號(hào)：U461.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-19-04

Abstract： With environment， global warming and the other problems， all countries in the world have setted up a fuel vehicle ban schedule. EV and other new energy vehicle become the best alternative to fuel vehicle. Key technologies such as power batteries have became the key factors restricting the development of EV. This article mainly discusses the evaluation of power battery， the influencing factors of performance and the battery management system from the application level. Provide reference for the selection and application of power battery.

Keywords： Power battery； evaluating indicator； Performance factors； Battery management

CLC NO.： U461.99 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-19-04

1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

作為純電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，動(dòng)力電池可以稱之為純電動(dòng)汽車的“心臟”。其性能優(yōu)劣直接影響到電動(dòng)汽車的安全、續(xù)航、動(dòng)力性、成本、使用經(jīng)濟(jì)性等整車性能。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池滿足純電動(dòng)汽車的使用需滿足以下要求：1）高能量密度；2）高功率密度；3）使用壽命長(zhǎng)；4）充電時(shí)間短；5）安全性好；6）維護(hù)方便；7）成本低等。

目前用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池主要有：鎳氫電池和鋰離子電池，其中鎳氫電池主要用于混合動(dòng)力汽車；鋰離子電池分為：鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸亞鐵鋰電池、鋰聚合物電池、三元鋰電池等，其中錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸亞鐵鋰電池目前已在電動(dòng)汽車上進(jìn)行了批量應(yīng)用。比亞迪E6、北汽EV160、騰勢(shì)等純電動(dòng)汽車采用磷酸亞鐵鋰作為其動(dòng)力電池，北汽EV200、比亞迪秦EV、吉利帝豪EV采用三元鋰作為其動(dòng)力電池，啟辰晨風(fēng)采用錳酸鋰電池。各類型鋰離子動(dòng)力電池性能比較見(jiàn)表1。

2 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能測(cè)試和評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)力電池性能參數(shù)主要包括：電壓、容量、內(nèi)阻、能量密度、功率密度、荷電狀態(tài)、放電深度、使用壽命、自放電率等。

2.1 動(dòng)力電池容量測(cè)試

動(dòng)力電池容量測(cè)試主要包括靜態(tài)容量測(cè)試和動(dòng)態(tài)容量測(cè)試。靜態(tài)容量測(cè)試主要試驗(yàn)方法為恒溫條件下恒流放電測(cè)試，其主要目的是檢測(cè)動(dòng)力電池組能量能否在預(yù)定的工況下正常工作。動(dòng)態(tài)容量測(cè)試主要試驗(yàn)方法為采用設(shè)定的變電流工況或采集的車輛電流曲線進(jìn)行放電性能測(cè)試，其目的是檢測(cè)動(dòng)力電池是否滿足電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用需求。

2.2 動(dòng)力電池功率測(cè)試

動(dòng)力電池峰值功率測(cè)試主要作用是得到電池在各種狀態(tài)下的最大輸入（輸出）功率，主要包括：美國(guó)USABC峰值功率測(cè)試法、HPPC測(cè)試法、JEVS測(cè)試法和國(guó)標(biāo)測(cè)試法。

USABC測(cè)試法主要針對(duì)純電動(dòng)汽車，該測(cè)試法是測(cè)試電池在不同放電深度（DOD）的2/3Uocv（電池開路電壓）條件下持續(xù)30s放電功率能力。USABC測(cè)試方法從0%DOD到90%DOD每隔10%DOD檢測(cè)電池的測(cè)試前1s和測(cè)試后第30s的電壓U和電流I，通過(guò)式（2.1）和式（2.2）計(jì)算可以得到該DOD下的阻抗和空載電壓UIRFree。

混合脈沖功率性能測(cè)試（HPPC）是在可用充放電電壓范圍內(nèi)，使用充放電脈沖測(cè)試制度，測(cè)試10s放電脈沖結(jié)束時(shí)，電池最低電壓放電脈沖功率能力和10s充電脈沖結(jié)束時(shí)電池最高電壓充電脈沖功率能力。其主要運(yùn)用在混合動(dòng)力汽車上。

日本電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（JEVS）《混合動(dòng)力（電動(dòng)）汽車用密閉型鎳氫電池的輸出密度及輸入密度試驗(yàn)方法》測(cè)試步驟如表1，脈沖持續(xù)時(shí)間為10s，脈沖間隔時(shí)間為1h。通過(guò)不同DOD下不同脈沖電流測(cè)試，最后得到不同DOD下脈沖電流I與電池端電壓U0的曲線圖1，通過(guò)最小放電電壓Umin及最大充電電壓Umax得到該DOD下放電峰值功率 和充電峰值功率 。由于JEVS測(cè)試脈沖仍為恒流，其測(cè)試結(jié)果仍存在差異，因此僅使用于評(píng)價(jià)動(dòng)力電池功率密度，不適用于電池的實(shí)時(shí)功率能力測(cè)試。

我國(guó)在GB/T31467等標(biāo)準(zhǔn)中中規(guī)定了動(dòng)力鋰離子蓄電池功率性能測(cè)試方法，其中規(guī)定了峰值功率和平均功率的測(cè)試方法。在通過(guò)環(huán)境適應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)充電、標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)、調(diào)整SOC、環(huán)境適應(yīng)一系列試驗(yàn)后進(jìn)行功率測(cè)試試驗(yàn)。在20%、50%、80%DOD狀態(tài)下通過(guò)脈沖電流（如表2）測(cè)試在表2.2.3給定的時(shí)間測(cè)量電池端電壓，計(jì)算通過(guò)電池峰值功率：每階段脈沖放電閉路后0.1s是的電壓與電流的乘積；電池平均功率：每階段脈沖放電能量與放電時(shí)間的商。

2.3 動(dòng)力電池荷電保持能力測(cè)試

動(dòng)力電池荷電保持能力檢測(cè)通常采用電池經(jīng)過(guò)常溫28天擱置后荷電狀態(tài)保持率來(lái)計(jì)算，但此種方法耗時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，不利于電池的批量化生產(chǎn)，因此有研究人員提出采用高溫?cái)R置的方法測(cè)定荷電保持能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高溫?cái)R置法與常溫?cái)R置法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小，可以認(rèn)同為同等效果。

2.4 動(dòng)力電池壽命

GB31484規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命和工況循環(huán)壽命兩類動(dòng)力電池壽命的測(cè)試方法。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試為將電池經(jīng)過(guò)500次1C恒流循環(huán)充放電后若電池放電容量高于初始容量的90%或1000次1C恒流循環(huán)充放電后放電容量高于初始容量的80%即認(rèn)為電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命合格。

純電動(dòng)汽車工況循環(huán)壽命測(cè)試分為純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池工況循環(huán)壽命測(cè)試和純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池工況循環(huán)壽命測(cè)試。純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池工況循環(huán)壽命測(cè)試為：

1） 將電池以1C恒流充電至終止電壓，轉(zhuǎn)換至恒壓充電至充電電流達(dá)到0.05C后靜置30min；

2）按照表2.4.1規(guī)定的電流進(jìn)行循環(huán)充放電，直至20%SOC；

3）擱置30min，重復(fù)步驟1）～3）共20h；

4）擱置2h，重復(fù)步驟1）～4）共6次，測(cè)試電池容量和能量；

5）重復(fù)步驟1）～4），直至總放電能量與電池初始能量的比值達(dá)500；

6）測(cè)試電池的容量和能量。

步驟6）測(cè)試的放電容量不低于初始容量的90%即認(rèn)為工況循環(huán)壽命測(cè)試合格。

純電動(dòng)商用車僅循環(huán)測(cè)試電流同乘用車不同，此處不再贅述。

3 影響動(dòng)力電池的性能的因素

除動(dòng)力電池的類別造成的電池性能不同外，同類電池的制造工藝、負(fù)極材料、環(huán)境溫度等因素同樣會(huì)影響動(dòng)力電池的性能。

3.1 制造工藝

以磷酸亞鐵鋰電池正負(fù)極材料制備工藝為例，有研究人員利用球磨工藝進(jìn)行磷酸亞鐵鋰電池正負(fù)極材料攪拌后由于活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑在水性漿料中的分散性得到提升，用其制備出的電池較通過(guò)傳統(tǒng)攪拌機(jī)制備的電池倍率放電容量和平臺(tái)電壓均有一定幅度的提高。

3.2 負(fù)極材料

以鋰離子電池負(fù)極材料為例，鋰電池的負(fù)極材料選擇應(yīng)滿足下列條件：1）插鋰是的氧化還原電位要低，最好接近Li的電位，有利于提高電池的能量密度；2）鋰能夠盡可能多的從負(fù)極材料中可逆的嵌入和脫嵌，提高電池的循環(huán)壽命；3）鋰離子嵌入和脫出過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)沒(méi)有或很少發(fā)生變化，確保良好的循環(huán)性；4）具有較好的電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散率，減少極化，有利于大電流充放電。不同負(fù)極材料鋰離子電池性能對(duì)比見(jiàn)表3.2.1。

3.2.1 不同負(fù)極材料鋰離子電池性能對(duì)比

目前對(duì)負(fù)極材料主要從納米化、復(fù)合材料（如C-Si、C-Sn等）等方面進(jìn)行研究，以求更高的能量密度、穩(wěn)定性和安全性。

3.3 環(huán)境溫度

較低的環(huán)境溫度會(huì)減弱動(dòng)力電池電極材料的活性并降低電池化學(xué)反應(yīng)離子擴(kuò)散速率，是影響電池容量的主要因素，某錳酸鋰電池在進(jìn)行C/3恒流放電試驗(yàn)時(shí)的容量溫度特性曲線如圖3.3.1所示。

適當(dāng)提高環(huán)境溫度會(huì)提高電池容量降低極化內(nèi)阻等，但過(guò)高的溫度會(huì)造成電池的正負(fù)極反應(yīng)不可逆，破壞電池結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響電池壽命。

4 電池管理系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)主要作用為：1）監(jiān)控電池剩余電量（SOC）；2）保證整車電池安全有效運(yùn)行；3）提升整車電池的使用壽命和利用效率；4）電池故障診斷和故障排除。電池管理系統(tǒng)主要分為分布式和集中式兩種。其中分布式電池管理系統(tǒng)由于其不受動(dòng)力電池布局的影響可以分散布置，在車輛上應(yīng)用廣泛。電池管理系統(tǒng)按功能劃分主要包括單體電池控制單元（CMU）和電池控制單元（BMU）。單體電池控制單元主要功能為監(jiān)控單體電池電壓、電流、SOC，單體電池均衡控制，單體電池?zé)峁芾淼?。電池控制單元主要功能為監(jiān)控電池組電壓、電流、SOC，電池組均衡控制，電池組熱管理等。電池管理系統(tǒng)除了負(fù)責(zé)監(jiān)控均衡各電池狀態(tài)和電池的熱管理之外，還負(fù)責(zé)電池內(nèi)部通信和整車控制器之間的通信，同時(shí)具備故障診斷和故障排除功能。

4.1 電池SOC估算方法

電池SOC估算方法主要有：負(fù)載電壓法、開路電壓法、安時(shí)積分法等。負(fù)載電壓法是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電壓根據(jù)負(fù)載電壓-SOC曲線估算電池SOC的方法。由于電壓-SOC曲線受負(fù)載電流影響較大，負(fù)載電壓法在恒流放電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的估算電池SOC狀態(tài)，但很少在車輛上使用。

開路電壓法是根據(jù)開路電壓-SOC曲線進(jìn)行SOC估算的方法。開路電壓法雖不受電池運(yùn)營(yíng)工況的限制，但在測(cè)量開路電壓時(shí)須將電池長(zhǎng)時(shí)間靜置以達(dá)到穩(wěn)定電壓。因此開路電壓法在不適合用于汽車動(dòng)力電池SOC的實(shí)時(shí)估算。通常用于充電初期和充電末期對(duì)電池SOC的估算。

安時(shí)積分法是通過(guò)對(duì)電池負(fù)載電流進(jìn)行積分，獲得動(dòng)力電池的使用能量△Q，通過(guò)初始狀態(tài)SOC0與△Q計(jì)算獲得動(dòng)力電池的當(dāng)前SOCend。安時(shí)積分法雖然能夠?qū)?dòng)力電池的SOC進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)估算，但由于其原理為通過(guò)估算電池使用能量來(lái)計(jì)算SOC，安時(shí)積分法存在累計(jì)誤差和無(wú)法解決因電池自放電等問(wèn)題。因此需要定期修正SOC0。

4.2 電池安全控制

電池管理系統(tǒng)安全控制主要包括：上電控制、充電控制、溫度控制及故障報(bào)警。上電控制主要功能是將電池管理系統(tǒng)等低壓電路與電池供電系統(tǒng)等高壓電路進(jìn)行隔離，使電池管理系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。同時(shí)通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)中增加預(yù)充電感的方式防止電池因上電瞬間電流過(guò)大造成損傷。充電控制包括電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)的握手，充電參數(shù)配置，充電及充電結(jié)束控制等，充電控制主要作用是：1）建立動(dòng)力電池與

充電機(jī)的參數(shù)化連接；2）動(dòng)力電池或充電機(jī)充電故障報(bào)警；3）動(dòng)力電池過(guò)充保護(hù)。溫度控制主要是設(shè)定動(dòng)力電池各工況溫度閥值并對(duì)各工況溫度閥值進(jìn)行分級(jí)，通過(guò)分級(jí)確定電池管理系統(tǒng)的下一步動(dòng)作。故障報(bào)警分為警示報(bào)警和禁行報(bào)警兩類。警示報(bào)警主要提示駕駛員動(dòng)力電池使用達(dá)到極限需進(jìn)行充電、檢修或降功率運(yùn)行。禁行報(bào)警時(shí)說(shuō)明電池繼續(xù)使用會(huì)造成嚴(yán)重后果，通常包含強(qiáng)制性動(dòng)作，如電池溫度超過(guò)極限溫度閥值有可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)，電池管理系統(tǒng)會(huì)切斷主回路。

5 總結(jié)

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車投入的增加，動(dòng)力電池的制造工藝不斷改善，比容量和比功率不斷提高，價(jià)格不斷下降，目前各大汽車廠家紛紛推出量產(chǎn)化純電動(dòng)車型。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動(dòng)汽車缺點(diǎn)主要有：續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等，因此純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的應(yīng)用主要關(guān)注電池的能量密度、功率密度、使用壽命、自放電率等性能，在使用過(guò)程中電池管理系統(tǒng)提供的SOC狀態(tài)、安全控制措施等同樣影響動(dòng)力電池在汽車上的應(yīng)用。隨著動(dòng)力電池電極材料及制造工藝的改進(jìn)，電池的能量密度、功率密度、使用壽命等關(guān)鍵參數(shù)也在不斷突破，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了快充動(dòng)力電池、電池快充技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，相信在不就的將來(lái)純電動(dòng)汽車的使用將更加環(huán)保、安全、方便。

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