動(dòng)力電池系統(tǒng)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用
——評(píng)《電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修》

張 壘

(河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院汽車(chē)與機(jī)電工程系，河南 洛陽(yáng) 471000 )

電池技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了新能源汽車(chē)的普及，新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)管理成為近幾年研究的熱點(diǎn)。楊光明等所著《電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修》一書(shū)，首先簡(jiǎn)要介紹動(dòng)力電池相關(guān)知識(shí)，包括動(dòng)力電池的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和性能指標(biāo)等；然后聚焦動(dòng)力電池的各種參數(shù)、性能測(cè)試，詳述測(cè)試主要內(nèi)容、指標(biāo)及所用設(shè)備；接著列舉電動(dòng)汽車(chē)電池主要種類(lèi)及各自的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)原理，介紹動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)及其主要功能，如電量管理、熱管理、均衡管理、數(shù)據(jù)通信和故障分析診斷等；最后，列舉真實(shí)案例分析純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的檢修過(guò)程。

1 動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

近年來(lái)，科研人員在電動(dòng)汽車(chē)電池的研發(fā)上投入大量精力，在降低電池系統(tǒng)成本的同時(shí)，提升了比能量和比功率。與其他種類(lèi)電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，目前，在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用較為廣泛。動(dòng)力電池的性能主要從放電倍率、能量、輸出效率和壽命等方面來(lái)衡量，不同類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)，對(duì)電池性能的要求也不同。以純電動(dòng)汽車(chē)為例，由于完全依靠電池提供動(dòng)力，電池組的容量和能量要盡量大，且在深度放電的狀態(tài)下，保證壽命不受影響。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：①電池模組，通常由多個(gè)單體電池或電池模塊通過(guò)串并聯(lián)的方式組成，可儲(chǔ)存電量；②電池箱，存放電池模組；③電池管理系統(tǒng)(BMS)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)綜合管理；④輔助元器件，主要包括傳感器、繼電器、開(kāi)關(guān)和密封條等。

2 動(dòng)力電池測(cè)試

在動(dòng)力電池的研制、生產(chǎn)、封裝過(guò)程中，需要進(jìn)行測(cè)試，以保證性能滿(mǎn)足要求，并確保安全性能達(dá)標(biāo)。實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)電池組的測(cè)試主要包含：①靜態(tài)容量測(cè)試，測(cè)試電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際使用時(shí)，電池組的電量和容量能否滿(mǎn)足需求；②動(dòng)態(tài)容量測(cè)試，測(cè)試電池組在電動(dòng)汽車(chē)行駛中的供電能力；③循環(huán)壽命測(cè)試，通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行充放電，測(cè)量循環(huán)次數(shù)；④啟動(dòng)功率測(cè)試，在設(shè)定的溫度和荷電狀態(tài)(SOC)下，測(cè)試電池組的啟動(dòng)功率；⑤安全性測(cè)試，通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充放電、強(qiáng)制放電、擠壓和碰撞等測(cè)試，驗(yàn)證安全性能；⑥振動(dòng)測(cè)試，檢測(cè)在道路、撞擊等外部條件下，振動(dòng)對(duì)電池組性能的影響。此外，針對(duì)不同類(lèi)型的電池，測(cè)試指標(biāo)、方法也有所不同。測(cè)試電池時(shí)，需要用到專(zhuān)業(yè)的測(cè)試工具。例如，在測(cè)試電池的充放電性能時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的電壓和功率，選用恰當(dāng)?shù)某浞烹娦阅軝z測(cè)設(shè)備；測(cè)試電池的內(nèi)阻和溫度時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)阻和溫度測(cè)量設(shè)備；在測(cè)試電池溫度、濕度和振動(dòng)性能時(shí)，可以選擇單獨(dú)的試驗(yàn)箱和試驗(yàn)臺(tái)，也可以選擇綜合試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境下3種因素的綜合測(cè)試。在電池安全性測(cè)試方面，選用沖擊試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，測(cè)試電池在受到撞擊時(shí)的損傷程度；選用短路試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，測(cè)試電池在短路情況下的損傷程度；選用充放電試驗(yàn)平臺(tái)等設(shè)備，測(cè)試電池在過(guò)度充放電情況下的損傷程度。

3 電動(dòng)汽車(chē)電池分類(lèi)

電動(dòng)汽車(chē)電池組的電池有很多種類(lèi)型，其中最常用的是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鉛酸電池較早使用于電動(dòng)汽車(chē)，價(jià)格便宜，制造簡(jiǎn)單，可靠性較高。鎳氫電池是一種比功率高、充電速率快、壽命長(zhǎng)的化學(xué)電池，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的快速啟動(dòng)和加速，但是在充電和使用時(shí)容易出現(xiàn)內(nèi)部溫度過(guò)高而增大危險(xiǎn)性的情況，且鎳氫電池負(fù)極以?xún)?chǔ)氫合金為材料，制造成本很高。鋰離子電池自出現(xiàn)并發(fā)展至今，容量、壽命和能量密度等都有了巨大的進(jìn)步，逐漸代替鉛酸電池應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上。鋰離子電池的正極活性物質(zhì)主要是鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等，負(fù)極活性物質(zhì)主要是石墨、碳纖維等碳材料，電解液通常為無(wú)水有機(jī)物或固體電解質(zhì)，隔膜通常為(PE)、(PP)或復(fù)合材料，外殼則通常由鋁或者鋼材料構(gòu)成。為增強(qiáng)安全性能，鋰離子電池內(nèi)部安裝了安全閥，當(dāng)電池運(yùn)行異常時(shí)，安全閥能自動(dòng)啟動(dòng)以保護(hù)電池。在各類(lèi)鋰離子電池中，LiFePO4正極鋰離子電池在充電速度、耐高溫性和安全性能和輸出效率等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，且成本更低，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，放電容量仍能達(dá)到較高的水平，產(chǎn)業(yè)化后更適用于電動(dòng)汽車(chē)。

4 電池管理系統(tǒng)

BMS是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的核心組成部分，它利用測(cè)得的電壓、電流和溫度等信息，分析動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)。BMS的功能主要包括：①數(shù)據(jù)采集，對(duì)電池單體電壓、溫度、工作電流等信息進(jìn)行采集；②能量管理，利用容量積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)電池的SOC估計(jì)；③均衡管理，動(dòng)力電池是由一定數(shù)量的單體電池組合而成，單體電池的性能不同，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池在使用時(shí)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，因此，設(shè)置電壓或SOC為均衡變量，根據(jù)不同的硬件電路設(shè)計(jì)，采用恰當(dāng)?shù)木獠呗裕ＷC電池組正常運(yùn)行時(shí)的性能均衡；④熱管理，通過(guò)冷卻系統(tǒng)降低動(dòng)力電池內(nèi)部溫度，以延長(zhǎng)壽命；⑤數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)BMS中的主控板與檢測(cè)板、BMS與上位機(jī)、BMS與車(chē)載控制器等之間的數(shù)據(jù)通信；⑥故障檢測(cè)診斷，檢測(cè)和診斷BMS中的傳感器、執(zhí)行器及其他元器件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提醒BMS采取相應(yīng)的處理措施。

5 動(dòng)力電池系統(tǒng)檢修

該書(shū)介紹了純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的檢修。就純電動(dòng)汽車(chē)而言，不同廠家的車(chē)型配備的動(dòng)力電池系統(tǒng)幾乎都不相同。以比亞迪E6為例，在該車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)中，電池組由90只LiFePO4正極鋰離子電池串聯(lián)而成，總?cè)萘繛?20 Ah，該車(chē)最大行駛里程為300 km。整個(gè)BMS由3部分組成：①電池管理器，BMS中包含1個(gè)電池管理器，主要功能是控制電池充放電、SOC估算等，監(jiān)測(cè)電池運(yùn)行狀態(tài)，保證正常工作；②電池信息采集器(BIC)，BMS中包含11個(gè)BIC，主要實(shí)現(xiàn)電池信息的采集，對(duì)采樣線(xiàn)進(jìn)行異常監(jiān)測(cè)，以及BMS的均衡管理；③動(dòng)力電池采樣線(xiàn)，作為橋梁，能夠聯(lián)通BIC和電池管理器，在二者之間傳輸信息。動(dòng)力電池的故障診斷需要遵循的固定流程如下：①將汽車(chē)開(kāi)入修理車(chē)間；②檢查電池的電壓，若為12～14 V，執(zhí)行下一步操作；若電壓低于12 V，則要進(jìn)行充電，再執(zhí)行下一步操作；③連接插件，接通ON檔電，對(duì)照故障代碼，檢測(cè)電池故障類(lèi)型；④針對(duì)檢測(cè)出的故障，進(jìn)行電池維修或更換；⑤重新進(jìn)行電池測(cè)試，確保無(wú)故障產(chǎn)生。對(duì)于BIC的故障診斷，同樣遵循相似的流程。具體到比亞迪E6而言，對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先是準(zhǔn)備工作，即執(zhí)行車(chē)輛熄火、電池負(fù)極拆卸、維修開(kāi)關(guān)拆卸等操作；然后測(cè)量電池組和單體電池的電壓，讀取故障代碼；最后根據(jù)故障代碼，更換高壓配電箱或動(dòng)力電池包。整個(gè)過(guò)程需要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)操作，并要佩戴絕緣手套。該書(shū)還給出了上汽榮威E50、北汽EV160/200兩種車(chē)型動(dòng)力電池系統(tǒng)的檢測(cè)和維修過(guò)程。

在混合動(dòng)力汽車(chē)上，通常配有一個(gè)普通的12 V直流電池，以及一個(gè)電壓為36～600 V的高壓直流電池系統(tǒng)。直流電池用來(lái)給汽車(chē)上常用的電器提供啟動(dòng)動(dòng)力，高壓直流電池系統(tǒng)則可以給電機(jī)提供能量，還具有儲(chǔ)能功能。不同廠家的混合動(dòng)力汽車(chē)配備的動(dòng)力電池系統(tǒng)也各不相同。以第三代豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)為例，該車(chē)配備的高壓電池系統(tǒng)由高壓電池、電池管理器、控制總成、冷卻系統(tǒng)和維修開(kāi)關(guān)等組成。其中，高壓電池是由28只鎳氫電池模組串聯(lián)組成，電壓為201.6 V，是能量的存儲(chǔ)單元；電池管理器用于監(jiān)測(cè)電池的各種參數(shù)；冷卻系統(tǒng)用于給電池降溫，保護(hù)電池始終在正常溫度下工作。該車(chē)還配備12 V直流電池，用于給大燈、音響等電器供電。汽車(chē)在長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)將12 V直流電池進(jìn)行斷電處理，防止電量耗盡。在對(duì)第三代豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)的電池系統(tǒng)進(jìn)行維修時(shí)，主要利用歐姆表測(cè)量各個(gè)元器件的電阻值，判斷是否需要更換。具體步驟如下：①對(duì)電池的加液口塞進(jìn)行測(cè)試，查看導(dǎo)通性，若端子間的電阻值超出了正常范圍，則需要更換加液口塞；②對(duì)電池的所有主繼電器進(jìn)行測(cè)試，查看導(dǎo)通性，測(cè)量電壓、電阻等參數(shù)，若超出正常范圍，則需要更換主繼電器；③測(cè)量電流傳感器的電阻值，若超出正常范圍，則需要更換電流傳感器；④測(cè)量系統(tǒng)主電阻器的電阻值，若超出正常范圍，則需要更換系統(tǒng)主電阻器。操作人員必須具備專(zhuān)業(yè)技能，并要佩戴絕緣手套。此外，該書(shū)還給出了寶馬X6、奧迪Q5等車(chē)型的動(dòng)力電池系統(tǒng)的檢測(cè)和維修過(guò)程。

6 結(jié)語(yǔ)

《電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修》一書(shū)結(jié)合理論指導(dǎo)和真實(shí)案例，詳述動(dòng)力電池的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要評(píng)價(jià)指標(biāo)等；對(duì)動(dòng)力電池的容量、壽命、啟動(dòng)功率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，給出測(cè)試的具體方法和所用設(shè)備；闡述電動(dòng)汽車(chē)電池組的常用電池類(lèi)型及結(jié)構(gòu)原理、特點(diǎn)；給出BMS的主要功能；列舉實(shí)際案例，說(shuō)明電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)的檢修方法。該書(shū)內(nèi)容豐富飽滿(mǎn)、邏輯明確，可供從事新能源汽車(chē)研究的人員參考。

書(shū)名：電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修

作者：楊光明等 編著

ISBN：9787122344540

出版社：化學(xué)工業(yè)出版社

出版時(shí)間：2019-08-01

定價(jià)：￥48.00元