新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)分析與探究

陳繼永 盧欣欣

摘要：本文以新能源汽車為研究視角，針對新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)展開分析討論。從動力電池的類型出發(fā)，透過電池管理系統(tǒng)、電池SOC估算、電池均衡三個方面探討我國動力電池技術(shù)的不足和發(fā)展方向。希望為相關(guān)工作的開展帶去參考借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;動力電池;電池均衡

1 前言

新能源汽車在能源危機(jī)日益嚴(yán)峻和可持續(xù)發(fā)展理念深化落實的背景下應(yīng)運(yùn)而生，其不僅利于變革汽車產(chǎn)業(yè)布局，同時能夠緩解能源緊張的局勢。而在新能源汽車中，動力電池是關(guān)鍵技術(shù)，所以認(rèn)識動力電池關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向至關(guān)重要。

2 動力電池

電動汽車的運(yùn)行工況相對來講比較復(fù)雜，并且需要其具備動力性與經(jīng)濟(jì)性特點。所以動力電池必須要具備電壓高、比功率高、比能量高以及可循環(huán)使用等特點。現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的、投入研究比較多的動力電池主要有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池和鎳鎘電池，這幾類電池的性能參數(shù)如表1所示，為了比對方便，該統(tǒng)計都取平均值。通過表1的分析可見，鋰離子電池與其他動力電池相比，單體額定電壓比較高，可以有效減少能量損失;鋰離子電池的功率密度以及比功率相對較高，這就使得鋰離子電池具備更好的行駛里程;與此同時鋰離子電池的循環(huán)使用次數(shù)明顯高于其他三類動力電池，雖然價格相對較高，但是由于其使用性能較佳，可以在一定程度上綜合成本問題，具備較好的綜合經(jīng)濟(jì)性。

3 電池管理系統(tǒng)

能源危機(jī)不斷激烈的背景下，各國政府對于新能源的開發(fā)與利用效率不斷提高，新能源汽車產(chǎn)業(yè)如火如荼的發(fā)展起來，BMS在這一語境下機(jī)遇與挑戰(zhàn)并行。現(xiàn)階段針對BMS的研究主要分為以下四種模式：第一，汽車生產(chǎn)企業(yè)與其他相關(guān)企業(yè)合作研究;第二，動力電池廠商適應(yīng)整車生產(chǎn)廠家的需求展開技術(shù)開發(fā);第三，第三方企業(yè)為新能源汽車企業(yè)提供BMS技術(shù)方案;第四，各大高校響應(yīng)國家號召，自主或者通過校企合作開發(fā)新技術(shù)。無論哪種技術(shù)研究模式，最終目標(biāo)都是將其應(yīng)用到新能源汽車上，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

發(fā)達(dá)國家和地區(qū)針對電動汽車的研究比較早，并且在開始電動汽車研究的同時就非常重視BMS的開發(fā)。歷經(jīng)政府與企業(yè)的共同努力、精誠合作，現(xiàn)階段BMS技術(shù)體系相對成熟。例如SK、DENSO、Preh、LG、Chem、Toyota、Bosch、Telsa等來自美國、韓國、日本、德國的企業(yè)如今在國際BMS市場上已經(jīng)非常知名，并且時常份額極大。我國針對新能源汽車的研發(fā)起步較晚，所以開始BMS研究的時間比較晚，從國際市場上來看，市場份額與歐美、日韓發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比相差甚遠(yuǎn)。但是近年來隨著科學(xué)發(fā)展觀的深化貫徹落實，政府對新能源汽車的重視力度不斷提升，積極引導(dǎo)企業(yè)與高校開展相關(guān)技術(shù)開發(fā)，后發(fā)優(yōu)勢相當(dāng)明顯。例如，北京交通大學(xué)與惠州億能電子合作研發(fā)的BMS技術(shù)，在北京奧運(yùn)會的純動力大巴車上得到應(yīng)用;冠拓以哈工大和北京理工大學(xué)科研項目為依托，自主研發(fā)的BMS技術(shù)方案已經(jīng)在眾泰電動汽車上得到全面應(yīng)用，并取得良好反饋效果;坐落在安徽省的力高新能源與中國科技大學(xué)合作研發(fā)的BMS技術(shù)為深圳223路混合動力公交車提供了技術(shù)支持[1]。與此同時，比亞迪、億能電子等優(yōu)質(zhì)企業(yè)在核心技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，展示了我國在BMS技術(shù)上的后發(fā)優(yōu)勢與力量。在政府、企業(yè)、高校的共同努力下，我國BMS在性能上具備明顯優(yōu)勢，但是與國外高精尖技術(shù)相比較來看依舊存在差距，尤其在數(shù)據(jù)采集方面、SOC估算精度方面以及均衡技術(shù)方面依舊存在缺陷，所以我國BMS關(guān)鍵技術(shù)還有很長的路要走，需要政府、企業(yè)、科研人員的協(xié)同努力、進(jìn)取創(chuàng)新。

4 電池SOC估算

新能源汽車動力電池SOC估算大體可以分為兩個方向：第一，將動力電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)開展的sOc估算;第二，以外部的特性參數(shù)作為依據(jù)進(jìn)行的動力電池SOC估算。由于動力電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，而動力電池的外部特性參數(shù)比較容易測定和計算，所以目前動力電池SOC估算的主要方法為后者這[2]。

將動力電池外部特性參數(shù)作為依據(jù)開展的SOC估算主要包括安時法、開路電壓法、內(nèi)阻法等。安時法相對來講比較簡單，但是在操作的過程中容易出現(xiàn)積累性誤差，所以該方法在恒流工況中比較適用，并且通常與其他估算方法聯(lián)合應(yīng)用。開路電壓法相對來講也比較簡單，但是應(yīng)用該方法的時候必須保證動力電池靜置到穩(wěn)定的狀態(tài)，所以該方法在簡寫或者長時間靜置的工況下比較適用。內(nèi)阻法的預(yù)測極值精度非常高，但是內(nèi)阻與SOC之間的關(guān)系不夠穩(wěn)定，所以該方法在應(yīng)用的時候影響因素比較多，現(xiàn)階段應(yīng)用范圍并不廣。內(nèi)載電壓法操作十分簡單，但是該方法只能在實驗室中應(yīng)用，對于電壓測定比較適用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的估算結(jié)果最為精準(zhǔn)，但是在應(yīng)用的時候需要海量信息作為依據(jù)，同時對于經(jīng)驗要求比較苛刻，因此其在變電流工況下比較適用?？柭鼮V波估算的結(jié)果同樣精準(zhǔn)，對于SOC的初值要求不是很高，但是其針對模型的依賴程度很強(qiáng)，所以該方法在電流變化概率較大的工況下更為適用[3]。

結(jié)合上述幾種sOc估算方法的優(yōu)勢與缺陷，很多技術(shù)人員提出了各自的估算模式。例如一部分技術(shù)人員針對動力電池的荷電狀態(tài)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié)，并以此為基礎(chǔ)，提出了將反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)的SOC估算方法，實踐表明該方法應(yīng)用中獲得的輸出值與估算值誤差率為4%;也有一部分學(xué)者將二階RC等效電路作為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用有限差分卡爾曼濾波估算法針對動力電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測算，實踐表明這一方法取得的估算精度比較高。在國內(nèi)外專家學(xué)者的共同努力與奮力進(jìn)取中，動力電池SOC估算取得了質(zhì)的進(jìn)步。但是基于sOc的重要意義，其在精準(zhǔn)性、時效性、適用性等方面依舊有待提高。

5 電池均衡

我國針對新能源汽車電池均衡展開的研究很多，總結(jié)起來大體分為兩個方向：第一，將動力電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)實現(xiàn)電池均衡;第二，將動力電池外部的電路連接作為依據(jù)實現(xiàn)動力電池的均衡。由于動力電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜，且可控性比較差，而外部電路相對簡便且可控性高，所以現(xiàn)階段對于第二種均衡的研究相對較多。以外部電路連接作為基礎(chǔ)的均衡又可以細(xì)分為被動均衡和主動均衡兩種。

被動均衡，即能量耗散型的均衡，主要通過電阻去直接消耗動力電池系統(tǒng)中存在的不均衡性電量，使得電動汽車電池系統(tǒng)得到均衡運(yùn)行。這一方法在動力電池組充電的工況下比較適用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)單體電池已經(jīng)滿足均衡條件的情況下，汽車內(nèi)部的閉合開關(guān)就會自動切斷某一個開關(guān)，進(jìn)而實現(xiàn)充電均衡。因為電阻在分流的過程中會釋放熱量，所以應(yīng)用該均衡方案的時候需要進(jìn)行散熱，這就導(dǎo)致能量損耗相對較大。但是運(yùn)行成本比較低，所以目前受到廣泛青睞，已經(jīng)成為新能源汽車市場上的主流均衡電路拓?fù)?。主動均衡，即能量轉(zhuǎn)移型均衡，其將不具備能量消耗的元器件作為媒介，利用開關(guān)實現(xiàn)電量在各個電池中的動態(tài)轉(zhuǎn)移。所以該均衡方法可以根據(jù)均衡器件去細(xì)化，如電容均衡、電感均衡、組合均衡等。第一，電容均衡在運(yùn)行的過程中主要將均衡主體與均衡對象之間的電壓差，當(dāng)電壓差相對較大的情況下，電量轉(zhuǎn)移起來就比較容易，然而實際上均衡電池與被均衡電池二者的電壓差值往往較低，所以如果不配合其他均衡方法難以實現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移。第二，電感均衡將電感上通過的電流作為基礎(chǔ)，所以即使均衡主體與均衡對象二者之間的電壓差值比較低，也是可以實現(xiàn)電量瞬時轉(zhuǎn)移的，因此其與電容均衡相比，具備的電量轉(zhuǎn)移能力更強(qiáng)，并且在實踐應(yīng)用中均衡電路的連接與控制都比較簡單。第三，電壓器均衡是將變壓器作為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過系列操作加大均衡主體與均衡對象之間的電壓差值，進(jìn)而確保電量的快速轉(zhuǎn)移。但是變壓器自身存在漏磁問題，且控制的難度系數(shù)比較大，所以該均衡方式現(xiàn)階段并沒有廣泛應(yīng)用。第四，組合均衡，其操作與控制相對簡單，效率比較高，但是成本很大。

6 結(jié)語

可持續(xù)發(fā)展理念下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景極好，為推動電動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，必須要做好動力電池技術(shù)創(chuàng)新。希望通過文章的闡述，可以使得相關(guān)企業(yè)、專家、學(xué)者以及全體技術(shù)人員認(rèn)識我國BMS在關(guān)鍵技術(shù)上的短板，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新力度，完善動力電池技術(shù)體系，為推進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

項目1：本論文為南通市重點實驗室項目《新能源汽車電源技術(shù)重點實驗室》的成果，項目編號：JC218065。

項目2：江蘇工院科研計劃項目《農(nóng)用無人機(jī)動力鋰電池在線均衡技術(shù)的研究》的成果，項目編號：GYKY/2016/13。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚樂婧新能源汽車動力電池研究進(jìn)展與展望[J/OL]當(dāng)代化工研究，2019（ 10）.

[2]張智峰，徐玉芬，李軍紅新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（ 23）：130-131

[3]郭強(qiáng)，鄭燕萍，孫偉明.新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（ 04）：46-47

作者簡介——

陳繼永：（1981.06-），男，江蘇銅山人，碩士研究生，講師。研究方向：新能源發(fā)電及新能源汽車技術(shù)。