陳繼永 盧欣欣

摘要：本文以新能源汽車(chē)為研究視角，針對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析討論。從動(dòng)力電池的類(lèi)型出發(fā)，透過(guò)電池管理系統(tǒng)、電池SOC估算、電池均衡三個(gè)方面探討我國(guó)動(dòng)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(kāi)展帶去參考借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);動(dòng)力電池;電池均衡

1 前言

新能源汽車(chē)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(shí)的背景下應(yīng)運(yùn)而生，其不僅利于變革汽車(chē)產(chǎn)業(yè)布局，同時(shí)能夠緩解能源緊張的局勢(shì)。而在新能源汽車(chē)中，動(dòng)力電池是關(guān)鍵技術(shù)，所以認(rèn)識(shí)動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向至關(guān)重要。

2 動(dòng)力電池

電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行工況相對(duì)來(lái)講比較復(fù)雜，并且需要其具備動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。所以動(dòng)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(diǎn)?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的、投入研究比較多的動(dòng)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(lèi)電池的性能參數(shù)如表1所示，為了比對(duì)方便，該統(tǒng)計(jì)都取平均值。通過(guò)表1的分析可見(jiàn)，鋰離子電池與其他動(dòng)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(duì)較高，這就使得鋰離子電池具備更好的行駛里程;與此同時(shí)鋰離子電池的循環(huán)使用次數(shù)明顯高于其他三類(lèi)動(dòng)力電池，雖然價(jià)格相對(duì)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(wèn)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(guó)政府對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)與利用效率不斷提高，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)如火如荼的發(fā)展起來(lái)，BMS在這一語(yǔ)境下機(jī)遇與挑戰(zhàn)并行?，F(xiàn)階段針對(duì)BMS的研究主要分為以下四種模式：第一，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)與其他相關(guān)企業(yè)合作研究;第二，動(dòng)力電池廠(chǎng)商適應(yīng)整車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家的需求展開(kāi)技術(shù)開(kāi)發(fā);第三，第三方企業(yè)為新能源汽車(chē)企業(yè)提供BMS技術(shù)方案;第四，各大高校響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，自主或者通過(guò)校企合作開(kāi)發(fā)新技術(shù)。無(wú)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(chē)上，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究比較早，并且在開(kāi)始電動(dòng)汽車(chē)研究的同時(shí)就非常重視BMS的開(kāi)發(fā)。歷經(jīng)政府與企業(yè)的共同努力、精誠(chéng)合作，現(xiàn)階段BMS技術(shù)體系相對(duì)成熟。例如SK、DENSO、Preh、LG、Chem、Toyota、Bosch、Telsa等來(lái)自美國(guó)、韓國(guó)、日本、德國(guó)的企業(yè)如今在國(guó)際BMS市場(chǎng)上已經(jīng)非常知名，并且時(shí)常份額極大。我國(guó)針對(duì)新能源汽車(chē)的研發(fā)起步較晚，所以開(kāi)始BMS研究的時(shí)間比較晚，從國(guó)際市場(chǎng)上來(lái)看，市場(chǎng)份額與歐美、日韓發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比相差甚遠(yuǎn)。但是近年來(lái)隨著科學(xué)發(fā)展觀(guān)的深化貫徹落實(shí)，政府對(duì)新能源汽車(chē)的重視力度不斷提升，積極引導(dǎo)企業(yè)與高校開(kāi)展相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)，后發(fā)優(yōu)勢(shì)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(huì)的純動(dòng)力大巴車(chē)上得到應(yīng)用;冠拓以哈工大和北京理工大學(xué)科研項(xiàng)目為依托，自主研發(fā)的BMS技術(shù)方案已經(jīng)在眾泰電動(dòng)汽車(chē)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(guó)科技大學(xué)合作研發(fā)的BMS技術(shù)為深圳223路混合動(dòng)力公交車(chē)提供了技術(shù)支持[1]。與此同時(shí)，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(guó)在BMS技術(shù)上的后發(fā)優(yōu)勢(shì)與力量。在政府、企業(yè)、高校的共同努力下，我國(guó)BMS在性能上具備明顯優(yōu)勢(shì)，但是與國(guó)外高精尖技術(shù)相比較來(lái)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(guó)BMS關(guān)鍵技術(shù)還有很長(zhǎng)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(chē)動(dòng)力電池SOC估算大體可以分為兩個(gè)方向：第一，將動(dòng)力電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)開(kāi)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(dòng)力電池SOC估算。由于動(dòng)力電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，而動(dòng)力電池的外部特性參數(shù)比較容易測(cè)定和計(jì)算，所以目前動(dòng)力電池SOC估算的主要方法為后者這[2]。

將動(dòng)力電池外部特性參數(shù)作為依據(jù)開(kāi)展的SOC估算主要包括安時(shí)法、開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法等。安時(shí)法相對(duì)來(lái)講比較簡(jiǎn)單，但是在操作的過(guò)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(kāi)路電壓法相對(duì)來(lái)講也比較簡(jiǎn)單，但是應(yīng)用該方法的時(shí)候必須保證動(dòng)力電池靜置到穩(wěn)定的狀態(tài)，所以該方法在簡(jiǎn)寫(xiě)或者長(zhǎng)時(shí)間靜置的工況下比較適用。內(nèi)阻法的預(yù)測(cè)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(shí)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(jiǎn)單，但是該方法只能在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用，對(duì)于電壓測(cè)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(shí)候需要海量信息作為依據(jù)，同時(shí)對(duì)于經(jīng)驗(yàn)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(duì)于SOC的初值要求不是很高，但是其針對(duì)模型的依賴(lài)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(shì)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(duì)動(dòng)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(shí)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(duì)動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)算，實(shí)踐表明這一方法取得的估算精度比較高。在國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的共同努力與奮力進(jìn)取中，動(dòng)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(shí)效性、適用性等方面依舊有待提高。

5 電池均衡

我國(guó)針對(duì)新能源汽車(chē)電池均衡展開(kāi)的研究很多，總結(jié)起來(lái)大體分為兩個(gè)方向：第一，將動(dòng)力電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)電池均衡;第二，將動(dòng)力電池外部的電路連接作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的均衡。由于動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)便且可控性高，所以現(xiàn)階段對(duì)于第二種均衡的研究相對(duì)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(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。

被動(dòng)均衡，即能量耗散型的均衡，主要通過(guò)電阻去直接消耗動(dòng)力電池系統(tǒng)中存在的不均衡性電量，使得電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)得到均衡運(yùn)行。這一方法在動(dòng)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(mǎn)足均衡條件的情況下，汽車(chē)內(nèi)部的閉合開(kāi)關(guān)就會(huì)自動(dòng)切斷某一個(gè)開(kāi)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電均衡。因?yàn)殡娮柙诜至鞯倪^(guò)程中會(huì)釋放熱量，所以應(yīng)用該均衡方案的時(shí)候需要進(jìn)行散熱，這就導(dǎo)致能量損耗相對(duì)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(chē)市場(chǎng)上的主流均衡電路拓?fù)?。主?dòng)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(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電量在各個(gè)電池中的動(dòng)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(guò)程中主要將均衡主體與均衡對(duì)象之間的電壓差，當(dāng)電壓差相對(duì)較大的情況下，電量轉(zhuǎn)移起來(lái)就比較容易，然而實(shí)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(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移。第二，電感均衡將電感上通過(guò)的電流作為基礎(chǔ)，所以即使均衡主體與均衡對(duì)象二者之間的電壓差值比較低，也是可以實(shí)現(xiàn)電量瞬時(shí)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(shí)踐應(yīng)用中均衡電路的連接與控制都比較簡(jiǎn)單。第三，電壓器均衡是將變壓器作為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)系列操作加大均衡主體與均衡對(duì)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(wèn)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(méi)有廣泛應(yīng)用。第四，組合均衡，其操作與控制相對(duì)簡(jiǎn)單，效率比較高，但是成本很大。

6 結(jié)語(yǔ)

可持續(xù)發(fā)展理念下，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景極好，為推動(dòng)電動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，必須要做好動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新。希望通過(guò)文章的闡述，可以使得相關(guān)企業(yè)、專(zhuān)家、學(xué)者以及全體技術(shù)人員認(rèn)識(shí)我國(guó)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(dòng)力電池技術(shù)體系，為推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

項(xiàng)目1：本論文為南通市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目《新能源汽車(chē)電源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室》的成果，項(xiàng)目編號(hào)：JC218065。

項(xiàng)目2：江蘇工院科研計(jì)劃項(xiàng)目《農(nóng)用無(wú)人機(jī)動(dòng)力鋰電池在線(xiàn)均衡技術(shù)的研究》的成果，項(xiàng)目編號(hào)：GYKY/2016/13。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚樂(lè)婧新能源汽車(chē)動(dòng)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(chē)動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]中國(guó)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(chē)動(dòng)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(jiǎn)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(chē)技術(shù)。