新能源汽車(chē)動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究

周新 陳忠愷

摘要：本文闡述了新能源汽車(chē)動(dòng)力電池健康狀態(tài)的影響因素，主要包括溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性等5個(gè)因素，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)RS485、CAN通信檢測(cè)、電池模組、電池均衡板、接觸器等設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取設(shè)置，優(yōu)化動(dòng)力電池健康狀態(tài)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)力電池健康、提高整車(chē)性能、充分使用動(dòng)力電池的性能、提高經(jīng)濟(jì)性等功能。

Abstract： This paper expounds the new energy vehicles the influence factors of power battery state of health， including the temperature， battery capacity attenuation， charge and discharge current， self-discharge， consistency and so on five factors， further through the RS485 and CAN communication balanced detection， battery module， panels， contactor and other equipment power battery health status monitoring data selection of Settings， Optimize various monitoring indicators of power battery health state， realize the protection of power battery health， improve vehicle performance， make full use of power battery performance， improve economy and other functions.

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);動(dòng)力電池;健康狀態(tài);監(jiān)測(cè)

Key words： new energy vehicle;power battery;health status;monitoring

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0164-02

0? 引言

隨著石化燃料帶來(lái)的能源危機(jī)、環(huán)境污染等世界性難題不斷突出。發(fā)展新型環(huán)?？稍偕茉匆讶怀蔀槿澜绨l(fā)展的有效途徑。政策驅(qū)動(dòng)全球汽車(chē)電動(dòng)化，疫情下產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)?！靶禄A(chǔ)設(shè)施建設(shè)”比傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施更致力于建設(shè)高科技基礎(chǔ)設(shè)施，“新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”主要包括5G基礎(chǔ)設(shè)施、特高壓、城際高鐵列車(chē)和城市軌道交通、新能源汽車(chē)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能等7個(gè)主要領(lǐng)域[1]，而電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了采礦、冶金、活性的材料（包括分離器及正負(fù)極材料等）、單體電池、組裝以及回收電池等多個(gè)上下游市場(chǎng)。

新能源汽車(chē)占比率在此背景下得到持續(xù)增長(zhǎng)，帶動(dòng)鋰電及四大材料的需求。2020年全球汽車(chē)銷(xiāo)量7528萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車(chē)307萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車(chē)占比率4%;2025年預(yù)測(cè)世界汽車(chē)銷(xiāo)量9328.3萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車(chē)1253.6萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車(chē)占比率可突破15%，到時(shí)候動(dòng)力鋰電池CAGR6使用量可達(dá)35%。因此對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池健康狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與優(yōu)化就變得至關(guān)重要了。如表1所示。

1? 動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力電池技術(shù)分析? 動(dòng)力電池由若干電池模組組合而成，電池模組再由是若干單體電池個(gè)體串并聯(lián)連接之后組合而成，當(dāng)然動(dòng)力電池組連接的方式可分為直接串聯(lián)、先并聯(lián)后串聯(lián)及先串聯(lián)后并聯(lián)三種方式。動(dòng)力電池一般按照材料來(lái)分為鉛酸電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池、鋰離子聚合物電池等4種。各種參數(shù)如表2所示。

1.2 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)技術(shù)分析? 電池的基本參數(shù)有單體電壓參數(shù)、電池容量參數(shù)、電池內(nèi)阻參數(shù)、電池能量與能量密度、功率與功率密度、放電深度、使用壽命、自放電率、不一致性、放電制度、荷電狀態(tài)等。

電池容量表示在放電率、電池溫度、終了電壓等一定條件下電池放出的電荷量，即電池的容量，通常以安培.小時(shí)，用A.h表示，1A.h=3600C，為單位。因此影響電池的因素有溫度、充放電、不一致性。如圖1所示，磷酸鐵鋰電池在-20℃、25℃、50℃的放電容量、電壓的變化。

因此，為了確保動(dòng)力電池的穩(wěn)定性，純電動(dòng)汽車(chē)配置有對(duì)動(dòng)力電池各項(xiàng)工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的管理系統(tǒng)，即是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)通常由電源模塊、CPU、模塊文檔控制、電壓網(wǎng)絡(luò)、溫度控制網(wǎng)絡(luò)、電流采集、輸出接口、CAN總線接口、電子開(kāi)關(guān)等模塊組成。

2? 動(dòng)力電池健康狀態(tài)和剩余壽命預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)

2.1 動(dòng)力電池健康狀態(tài)數(shù)據(jù)分析? 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括有：采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理、能量監(jiān)測(cè)控制、安全監(jiān)測(cè)控制、熱監(jiān)控、均衡監(jiān)測(cè)控制、通信功能和人機(jī)功能接口。根據(jù)電池的正負(fù)極材料、電池的外形、電池的容量、電池的化學(xué)特性等特性，對(duì)動(dòng)力電池組的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集主要是電池電壓、電流、單體電池溫度等[2];動(dòng)力電池健康狀態(tài)管理主要在于熱監(jiān)控、均衡控制的能量監(jiān)控;安全管理主要監(jiān)測(cè)充放電繼電器、人機(jī)通信接口的安全。

2.2 動(dòng)力電池荷電狀態(tài)分析? 荷電狀態(tài)用SOC（stateofcharge）表示，反映動(dòng)力電池的剩余電池容量，其數(shù)值上定義為剩余電池容量占額定電池容量的比值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值范圍為0～100%，當(dāng)SOC=100%時(shí)表示電池完全充滿(mǎn)而SOC=0%時(shí)表示電池完全放電。

荷電狀態(tài)是防止動(dòng)力電池過(guò)度充電和過(guò)度放電的主要參數(shù)，正確監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)可以最大限度提高動(dòng)力電池組的利用率以保證動(dòng)力電池組的使用年限。

電池荷電狀態(tài)，其經(jīng)典的表達(dá)式為：

SOC=Qre/Qall*100%

式中Qre表示動(dòng)力電池中剩余的電荷量;

Qall表示動(dòng)力電池的標(biāo)稱(chēng)電壓。

若考慮電池容量的衰減，那么公式可轉(zhuǎn)化為：

SOC=Qre/（Qused+Qre）*100%

式中Qused表示在最后一次充滿(mǎn)電的情況下，電池已經(jīng)放掉的電荷量。

2.3 動(dòng)力電池健康狀態(tài)影響因素? 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)調(diào)度程序，主要包括SOC計(jì)算、電流測(cè)量、電壓測(cè)量、均衡控制、溫度控制、報(bào)警、輸出控制、CAN通信、UART通信。其中動(dòng)力電池健康狀態(tài)影響因素主要取決于溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性。

①溫度：在不同溫度下，動(dòng)力電池容量會(huì)在范圍內(nèi)有所變化。②電池容量衰減：電池的容量在循環(huán)期間逐漸減小，因此電量的校正條件必須不斷更改。③充放電電流：動(dòng)力電池與額定充放電條件相比來(lái)說(shuō)一般顯示出大電流充放電容量低于額定容量，小電流充放電容量大于額定容量。④自放電：電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致自放電，插入時(shí)會(huì)導(dǎo)致電源故障，自放電的程度主要取決于環(huán)境溫度，必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。⑤一致性：電池組的建模和容量估算與單節(jié)電池的建模和容量估算有所不同，并且電池組的一致性差異對(duì)性能估算有重要影響。根據(jù)總電池電壓估算并校正電池的性能。如果電池差異很大，將導(dǎo)致估算精度的較大誤差。

2.4 動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)? 通過(guò)對(duì)RS485、CAN通信檢測(cè)、電池模組、電池均衡板、接觸器等設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取設(shè)置。如圖2所示。

最終確定了將電池的容量作為鋰離子電池健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于鋰離子電池充放電過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)，提出將電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)（SOC）聯(lián)合作為健康因子進(jìn)行SOH估計(jì)。

3? 動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果

3.1 保護(hù)動(dòng)力電池健康? 正確監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池健康狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)，比如荷電狀態(tài)值，將荷電狀態(tài)狀態(tài)控制在一定范圍內(nèi)（例如20%至80%）可以防止電池過(guò)度充電或過(guò)度充電從而確保電池的正常使用并延長(zhǎng)電池壽命。

3.2 提高整車(chē)性能? 在沒(méi)有針對(duì)動(dòng)力電池的準(zhǔn)確監(jiān)視數(shù)據(jù)的情況下，車(chē)輛控制策略必須保守地使用電池確保安全使用動(dòng)力電池以防止動(dòng)力電池過(guò)度充電和放電，從而使動(dòng)力電池?zé)o法完全用盡潛在的動(dòng)力，這會(huì)降低整個(gè)車(chē)輛的性能。

4? 結(jié)論

動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的三大核心總成之一，對(duì)動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估尤為重要，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池健康狀態(tài)主要取決于溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性等5個(gè)影響因素，相信通過(guò)對(duì)RS485、CAN通信檢測(cè)、電池模組、電池均衡板、接觸器等設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取設(shè)置，進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)力電池健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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