車(chē)載動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制

胡銀全 劉和平

【摘? 要】目前，新能源汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展起來(lái)的新興產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，國(guó)家已經(jīng)把環(huán)境治理定為一項(xiàng)基本國(guó)策，在這個(gè)發(fā)展形勢(shì)下，新能源汽車(chē)行業(yè)突起，目前已經(jīng)投入汽車(chē)市場(chǎng)，發(fā)展前景大好。新能源汽車(chē)主要依靠動(dòng)力電池來(lái)發(fā)動(dòng)，與傳統(tǒng)汽油汽車(chē)不同，新能源電動(dòng)車(chē)不僅環(huán)保，而且壽命長(zhǎng)、安全性能較高，重量輕。論文針對(duì)車(chē)載動(dòng)力電池荷電狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了探究，僅供參考。

【Abstract】At present， the new energy vehicle industry have become a new emerging industry in the automotive industry. Nowadays， the environmental problem is becoming more and more serious. Our country has made environmental governance a basic national policy. Under this development situation， the new energy vehicle industry is rising， which has been put into the automobile market， and the development prospect is very good. New energy vehicles mainly rely on power batteries to start， which is different from traditional gasoline vehicles. New energy electric vehicles are not only environmentally friendly， but also have long life， high safety performance and light weight. In this paper， the SOC monitoring methods and health monitoring methods of vehicle-mounted power battery were explored， for reference.

【關(guān)鍵詞】車(chē)載動(dòng)力電池;健康狀態(tài);監(jiān)測(cè);控制

【Keywords】 vehicle-mounted power battery; health status; monitor; control

【中圖分類(lèi)號(hào)】U469.72+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）08-0110-02

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)主要由電機(jī)、電池和電控三大部分組成。其中，動(dòng)力電池屬于核心部件，動(dòng)力電池的健康狀態(tài)直接決定著電動(dòng)汽車(chē)能否正常行駛，對(duì)動(dòng)力電池的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)做安全管理的基本內(nèi)容，而對(duì)動(dòng)力電池的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括多個(gè)方面的內(nèi)容，如電壓、電流、溫度等，這些條件的監(jiān)測(cè)是最基本的。

2 目前市場(chǎng)的車(chē)載動(dòng)力電池

目前，電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)上有多種動(dòng)力電池，常見(jiàn)的有磷酸鐵鋰電池、鋰電池、鎳氫電池、高鐵電池、電容電池、燃料電池。每款電池都分別有它的優(yōu)缺點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池的主要優(yōu)點(diǎn)是安全性能高、使用壽命長(zhǎng)、大容量、重量輕、環(huán)保，而它的缺點(diǎn)是能量密度較低，材料的制備成本與電池的制造成本較高。鋰電池在生活中是非常常見(jiàn)的一種電池，它的優(yōu)點(diǎn)是能量高、使用壽命長(zhǎng)，在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，不僅應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，在生活中也應(yīng)用到多個(gè)方面。鋰電池的應(yīng)用雖然廣泛，但是安全性能低、成本高。鎳氫電池電動(dòng)汽車(chē)最大的優(yōu)勢(shì)就是續(xù)航里程長(zhǎng)，放電平穩(wěn)，它的缺點(diǎn)是具有“記憶效應(yīng)”，過(guò)度充電或者放電都會(huì)衰減動(dòng)力電池的使用壽命，而在實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)中，廠商會(huì)在安全系統(tǒng)的設(shè)置上主動(dòng)避免過(guò)度充放電。高鐵電池的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，但是生產(chǎn)高鐵電池過(guò)程中對(duì)工藝要求非常高，如果生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)任何問(wèn)題，將會(huì)影響到電動(dòng)汽車(chē)的正常使用。電容電池最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次，壽命也比普通的化學(xué)電池要高很多，但它最大的缺點(diǎn)就是能量密度很低。燃料電池是將燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，就能夠生產(chǎn)出電來(lái)，它的優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高，具有很強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力，缺點(diǎn)是燃料電池造價(jià)偏高，碳?xì)淙剂蠠o(wú)法直接利用等。每種動(dòng)力電池各有各的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，也應(yīng)用于各種電動(dòng)汽車(chē)的使用，根據(jù)購(gòu)買(mǎi)者的需求和各種綜合評(píng)價(jià)來(lái)選擇最適合的一款電動(dòng)汽車(chē)。

3 車(chē)載動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要性

電池老化是電動(dòng)汽車(chē)使用中最常見(jiàn)的一種，電池種類(lèi)多種多樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，在行駛過(guò)程中如果出現(xiàn)任何問(wèn)題，將會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車(chē)的正常行駛，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的車(chē)禍。目前，已經(jīng)有了動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制體系技術(shù)，它能夠?qū)﹄姵匦阅?、狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且分析影響電池性能不斷發(fā)展變化趨勢(shì)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障時(shí)會(huì)立刻報(bào)警。電池都是有一定壽命的，使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電池發(fā)生老化，在行駛過(guò)程中很容易發(fā)生故障。因此，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制來(lái)說(shuō)是非常重要的，它在一定程度上可以保證電動(dòng)汽車(chē)的安全性，同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也讓電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中的安全性更高。

4 車(chē)載動(dòng)力電池荷電狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

4.1 安時(shí)積分法

動(dòng)力電池荷電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，稱(chēng)為SOC，安時(shí)積分法屬于開(kāi)環(huán)工作模式，通過(guò)計(jì)算采樣電流對(duì)時(shí)間的積分得到實(shí)時(shí)的電池SOC，人們可以根據(jù)得到的電池荷電狀態(tài)進(jìn)而判斷電池的運(yùn)行狀態(tài)。但是這種方法的應(yīng)用也有一定的局限性，這種方法短時(shí)間內(nèi)能維持較高的精確度，但是隨著電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，測(cè)試電流的誤差累計(jì)過(guò)多，該種方法的精確度會(huì)有所下降。

4.2 特征參量法

電池的特征參量法通常是電池的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻，而特征參量法通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓來(lái)得到對(duì)應(yīng)的荷電狀態(tài)監(jiān)測(cè)值，但是在應(yīng)用的過(guò)程中電池的開(kāi)路電壓非常難測(cè)量出，需要靜置很長(zhǎng)的時(shí)間才可以得到該數(shù)值，且數(shù)值會(huì)存在很大的誤差。該種方法在實(shí)際應(yīng)用中非常少，是因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備昂貴，且測(cè)試過(guò)程非常復(fù)雜，因此應(yīng)用較少。

4.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法

該種方法通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再應(yīng)用到電池狀態(tài)估計(jì)中。這種方法很大程度上是依靠電池訓(xùn)練數(shù)據(jù)的有效性和全面性，但是隨著電池的持續(xù)應(yīng)用，電池的訓(xùn)練數(shù)據(jù)在不斷變化，同時(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)也會(huì)慢慢失效，影響電池荷電狀態(tài)的判斷。

4.4 基于多種方法融合的估計(jì)方法

這種多種方法融合的估計(jì)方法屬于閉環(huán)工作模式，這種估計(jì)方法融合了前幾種SOC測(cè)量方法，將幾種方法的優(yōu)勢(shì)與弱勢(shì)有效融合在一起，可以發(fā)揮最大的監(jiān)測(cè)作用，能夠有效地對(duì)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種方法應(yīng)用廣泛，而對(duì)于這種方法的應(yīng)用研究還在不斷繼續(xù)，使其更加完善與多樣化，能夠監(jiān)測(cè)到多種電池的荷電狀態(tài)。目前，該方法中最具有代表性的有自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)、雙擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)等。

5 車(chē)載電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

5.1 直接放電法

車(chē)載動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，即SOH估計(jì)方法。首先是直接放電法，該方法利用負(fù)載對(duì)電池健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是該方法的操作過(guò)程非常復(fù)雜，且需要在離線狀態(tài)下才能監(jiān)測(cè)，而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)是需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的，因而該方法并不具有實(shí)際意義。

5.2 測(cè)量?jī)?nèi)部阻抗法

動(dòng)力電池的健康狀態(tài)可以用歐姆內(nèi)阻的關(guān)系式來(lái)表達(dá)，通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到的歐姆內(nèi)阻可以用來(lái)判斷動(dòng)力電池的健康狀態(tài)。

5.3 電化學(xué)阻抗分析法

該方法又被稱(chēng)為EIS分析法。該種方法的主要思想是通過(guò)向被測(cè)量電池施加多個(gè)正弦信號(hào)，利用模糊理論得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以用來(lái)預(yù)測(cè)電池的老化程度，該種方法的特點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果很準(zhǔn)確。但是同樣的，該種方法需要利用大量數(shù)據(jù)作為支撐，在實(shí)際測(cè)量分析環(huán)境中，很難得到這么多的數(shù)據(jù)，因而這種方法在實(shí)際工作中并沒(méi)有很大的實(shí)用性。

5.4 化學(xué)分析法

很多動(dòng)力電池都是依靠化學(xué)電解質(zhì)來(lái)產(chǎn)生電能的，具有代表性的應(yīng)當(dāng)是鋰電池。因此，這類(lèi)電池的健康狀態(tài)主要是通過(guò)測(cè)量電解液密度變化值來(lái)估計(jì)電池健康狀態(tài)的。但是這種方法的應(yīng)用必須要破壞電池中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)破壞后電池?zé)o法再繼續(xù)使用。因而，化學(xué)分析法的應(yīng)用在實(shí)際生活中并不切實(shí)際，應(yīng)用很少。

5.5 現(xiàn)代估計(jì)方法

現(xiàn)代估計(jì)方法主要是指對(duì)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行定性定量分析，常見(jiàn)的應(yīng)用算法主要有卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊邏輯算法等。通過(guò)這種算法得出的數(shù)據(jù)都較為精確，能夠?qū)嶋H地判斷出動(dòng)力電池目前的健康狀態(tài)。因此，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中非常常見(jiàn)，成為使用率較高的一種測(cè)量方法。

6 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的一種，自上市以來(lái)就受到了我國(guó)各界的廣泛關(guān)注，新能源汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用意味著傳統(tǒng)汽車(chē)暴露出的不足與劣勢(shì)。傳統(tǒng)汽車(chē)?yán)玫亩际瞧?，汽油燃燒所生成的廢氣中二氧化碳含量最高，過(guò)量的二氧化碳造成的溫室效應(yīng)，使得全球氣溫升高，冰川融化，空氣環(huán)境質(zhì)量讓人愈來(lái)愈擔(dān)憂。近年來(lái)，人們已經(jīng)體會(huì)到了環(huán)境污染帶來(lái)的后果。因此，將更多精力與時(shí)間放在環(huán)境的治理上，以及新能源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上。很明顯，新能源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是成功的，新能源是指再生能源，如太陽(yáng)能、電能、光能、風(fēng)能等，利用大自然中的自然現(xiàn)象將其轉(zhuǎn)化為人們可應(yīng)用的能量。電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用的電池，就是利用多種方式轉(zhuǎn)化為電能，電力將成為電動(dòng)汽車(chē)的主要能源。同傳統(tǒng)汽車(chē)需要定期保養(yǎng)一樣，電動(dòng)汽車(chē)的電池也需要定期進(jìn)行更換和檢查，就是判斷電池的健康狀態(tài)。正常情況下，電池都是有一定壽命的，電池過(guò)于老化會(huì)影響到行車(chē)安全。因此，電動(dòng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制是有必要的，本文也研究了多種監(jiān)測(cè)方法，有效保證動(dòng)力電池的健康狀態(tài)是電動(dòng)汽車(chē)行駛的最大保障。

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