新能源汽車動力電池關鍵技術的研究現狀

郭強+鄭燕萍+孫偉明

摘 要：動力電池是目前電動汽車重要的動力源，電池的關鍵技術主要包括動力電池的種類、管理系統、SOC的估算以及電池的均衡等，這些一直都是研究的重點和難點。因此本文從動力電池的關鍵技術方面系統的闡述電池的研究現狀，為新能源電池的進一步發(fā)展研究提供的理論依據。

關鍵詞：動力電池；關鍵技術；研究現狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.041

隨著交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展和汽車保有量一路攀升，無疑在方便人民生活的同時，也給能源和環(huán)境帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。大力發(fā)展新能源汽車、加快交通能源轉型是實現汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。而動力電池是電動汽車重要的動力源，因此對電池關鍵技術的研究具有重要的工程意義。所以本文系統的闡述了目前對動力電池種類、管理系統、SOC的估算以及電池均衡的研究現狀并進行歸納總結，為新能源電池進一步的發(fā)展研究提供的理論基礎。

1 動力電池的研究現狀

電動汽車運行工況復雜且需要具備一定的動力性、續(xù)駛里程和經濟性。因此，動力電池必須具備較高的電壓、比功率、比能量和循環(huán)使用次數。目前研究較多的動力電池包括鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池和鎳鎘電池。如表1為常見動力電池性能參數的對比。為了方便比較，表中數據均取均值。

由表1可知，與其它三種動力電池相比，鋰離子電池具有更高的單體額定電壓，能夠減小電池的焦耳能量損失；具有較高的功率密度和比功率，使得裝有鋰離子的電動汽車具有良好的動力性；具有更高的比能量和能量密度，使得裝有同質量和體積的鋰離子電池具有更高的續(xù)駛里程；具有較高的循環(huán)使用次數，能彌補由于價格高帶來的成本問題，使得經濟性較好。綜合上述，鋰離子電池更適合作為需要一定動力性、續(xù)駛里程和經濟性的電動汽車的動力源。

2 電池管理系統的研究現狀

為了適應各國政府對新能源產業(yè)的扶持和新能源汽車自身的蓬勃發(fā)展，BMS的發(fā)展一方面適逢機遇，另一方面面臨挑戰(zhàn)。目前對BMS的研究主要有以下幾種模式：（1）整車廠與其它企業(yè)合作研發(fā)；（2）動力電池零部件廠配合整車廠要求研發(fā)；（3）第三方企業(yè)為整車廠提供BMS方案；（4）高校在項目支持下獨立或校企合作研發(fā)。不管是哪種模式，最終研發(fā)目標都是應用到實際的電動汽車上。

國外比較早就開始研究電動汽車，且剛開始就比較重視BMS的研究。經過政府和各大企業(yè)幾十年的努力，已經形成了比較成熟的BMS產品。來自美、日、韓、德國家的SK、DENSO、Preh、LG Chem、Toyota、Bosch、Telsa等企業(yè)已經占據了BMS領域的半壁江山。中國開始研究BMS的時間較晚，在市場占有率上比不上美、日、韓、德。但在政府大力支持、高校的努力推動和企業(yè)的積極進取下，后發(fā)優(yōu)勢非常明顯。通過校企互助，北京交通大學攜手惠州億能電子開發(fā)的BMS成功應用在2008年北京奧運的純電動大巴上；哈爾濱冠拓依靠哈爾濱工業(yè)大學和北京理工大學己成功將BMS系統應用在眾泰電動車一些車型上；安徽力高新能源與中國科技大學合作，產品己用于深圳市223路混動公交車上。一大批像比亞迪、寧德新能源、億能電子、杰能動力的這樣的優(yōu)質企業(yè)已經在全球嶄露頭角。

目前，國內在BMS的功能和某些性能方面取得了一定的成果，但是和國外頂尖水平相比，還存在不小差距，特別是數據采集的可靠性、SOC的估算精度、均衡技術和安全管理和成本控制等方面。BMS仍然是我國電動汽車發(fā)展的一塊短板。

3 電池SOC估算的研究現狀

電池SOC的估算主要分為兩個方向：（1）基于電池內部電化學反應來估算電池的SOC；（2）基于外特性參數來估算電池的SOC。考慮到電池的電化學反應一般比較復雜，而電池的外特性參數較易測定，因此目前對電池SOC估算方法的研究主要集中在外特性參數估算電池SOC上。

利用外特性參數估算電池SOC的方法主要有安時法、開路電壓法、內阻法、負載電壓法、神經網絡法和卡爾曼濾波法。安時法比較簡單，但存在積累誤差，適用于恒流工況或與其他估算方法聯合使用；開路電壓法也比較簡單，但需要電池靜置至穩(wěn)定才可使用，適用于簡寫和長時間靜置的工況；內阻法預測極值時精度較高，但內阻和SOC關系不穩(wěn)定，所受影響因素多，很少使用；內載電壓法比較簡單，但僅限用于實驗室，適用于電壓的測量；神經網絡法估算準確，但需要龐大的數據做基礎，主要依賴經驗，適用于變電流工況；卡爾曼濾波法估算準確，對SOC初值要求不高，但對模型依懶性強，適用于電流變化較快的工況。

針對各種估算方法的優(yōu)缺點，許多研究員提出了各自的估算方法。例如蔡信等人在對電池荷電狀態(tài)的影響因素歸納的基礎上，提出了基于反向傳播神經網絡的動力電池荷電狀態(tài)的估計方法，且估計值與輸出值之間誤差最大值為4%[2]；又如劉艷莉等人以二階RC等效電路模型為基礎，運用有限差分卡爾曼濾波算法對電池荷電狀態(tài)進行估計，結果表明在估算過程中，該方法能很好的保證估算的精度[3]。

在眾多研究員的努力下，SOC的估算取得了一定的進展。但鑒于電池SOC對于BMS和整車策略的重要性，在準確性、實時性和實用性方面對SOC更進一步研究仍然存在必要。

4 電池均衡的研究現狀

目前國內外對電池均衡的研究比較多，主要分為兩個方向：（1）基于電池內部化學反應來實現均衡；（2）基于電池外部電路連接來實現均衡[4]。鑒于電池化學反應復雜，而外部電路連接稍微簡便，所以現階段對外部電路連接的方式研究較多。電路外部連接方式的均衡主要包括能量耗散型（被動均衡）和能量轉移型（主動均衡）。

能耗型均衡是利用電阻直接消耗電池組中的不均衡電量，從而使得電池組均衡的方法。該方法主要用于電池組充電的時候，當檢測到單體電池達到均衡條件時，整體閉合開關組或者根據需要閉合某一個

開關，從而達到充電均衡的目的。由于電阻分流放熱，一般需要散熱，且能量損耗比較大，但成本較低，是目前的主流均衡電路拓撲。而能量轉移型均衡主要是指以非能耗元件作為中轉元器件，通過開關選通使電量在電池之間進行轉移。目前能量轉移型均衡按均衡器件的不同主要分為：電容均衡、電感均衡、變壓器均衡及組合均衡。電容均衡電量的轉移依賴均衡電池與被均衡電池間的電壓差，電壓差較大時，電量轉移較容易，但均衡電池與被均衡電池間的端電壓差值通常較低，電量難以甚至不能通過電容從均衡電池向被均衡電池轉移；電感均衡電量的轉移依賴電感上通過的電流，即使均衡電池與被均衡電池間的端電壓差值較低，也能實現電量轉移，因此與電容均衡相比，其電量轉移能力較強，并且均衡電路控制簡單；變壓器均衡是通過變壓器讓次級繞組的電壓成倍增加，使得均衡電池與被均衡電池之間形成較大電壓差，實現電量的轉移，但變壓器存在漏磁現象，且控制較難，難以實現；組合均衡能同時利用多種元器件同時均衡，均衡速度快，效率高，但控制較難，成本較高。

如表2所示，為各種均衡拓撲方案的對比，電阻耗散型因其控制容易，成本低等優(yōu)點目前被廣泛使用；電感非能耗型因其均衡較快、能量損失相對較少，成本較低，成為研究的重點。

5 總結

我國對動力電池關鍵技術的研究與國外相比仍有較大差距，BMS仍然是我國電動汽車發(fā)展的一塊短板；在電池SOC的估算方面，研究主要集中在外特性參數上；在電池均衡的研究方面，現階段仍多采用基于電池外部電路連接來實現均衡。

參考文獻：

[1]龍曦，朱禹等.淺析新能源汽車動力電池應用現狀與發(fā)展趨勢[J].山東工業(yè)技術，2017（20）.

[2]蔡信，李波等.基于神經網絡模型的動力電池SOC估計研究[J]. 機電工程，2015（01）：128-132

[3]劉艷莉，戴勝等.基于有限差分擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC估計[J].電工技術學報，2014（01）：221-228

[4]邱斌斌，王智弘等.電池組用荷電狀態(tài)均衡充電模糊控制策略[J].電源學報，2015，13（02）：113-120.

作者簡介： 郭強（1991-），男，碩士研究生，研究方向：新能源汽車電池。endprint