新能源汽車動力電池關鍵技術分析與探究

陳繼永 盧欣欣

摘要：本文以新能源汽車為研究視角，針對新能源汽車動力電池關鍵技術展開分析討論。從動力電池的類型出發，透過電池管理系統、電池SOC估算、電池均衡三個方面探討我國動力電池技術的不足和發展方向。希望為相關工作的開展帶去參考借鑒。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;電池均衡

1 前言

新能源汽車在能源危機日益嚴峻和可持續發展理念深化落實的背景下應運而生，其不僅利于變革汽車產業布局，同時能夠緩解能源緊張的局勢。而在新能源汽車中，動力電池是關鍵技術，所以認識動力電池關鍵技術的發展方向至關重要。

2 動力電池

電動汽車的運行工況相對來講比較復雜，并且需要其具備動力性與經濟性特點。所以動力電池必須要具備電壓高、比功率高、比能量高以及可循環使用等特點。現階段應用比較廣泛的、投入研究比較多的動力電池主要有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池和鎳鎘電池，這幾類電池的性能參數如表1所示，為了比對方便，該統計都取平均值。通過表1的分析可見，鋰離子電池與其他動力電池相比，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較高，這就使得鋰離子電池具備更好的行駛里程;與此同時鋰離子電池的循環使用次數明顯高于其他三類動力電池，雖然價格相對較高，但是由于其使用性能較佳，可以在一定程度上綜合成本問題，具備較好的綜合經濟性。

3 電池管理系統

能源危機不斷激烈的背景下，各國政府對于新能源的開發與利用效率不斷提高，新能源汽車產業如火如荼的發展起來，BMS在這一語境下機遇與挑戰并行。現階段針對BMS的研究主要分為以下四種模式：第一，汽車生產企業與其他相關企業合作研究;第二，動力電池廠商適應整車生產廠家的需求展開技術開發;第三，第三方企業為新能源汽車企業提供BMS技術方案;第四，各大高校響應國家號召，自主或者通過校企合作開發新技術。無論哪種技術研究模式，最終目標都是將其應用到新能源汽車上，推動電動汽車產業的發展。

發達國家和地區針對電動汽車的研究比較早，并且在開始電動汽車研究的同時就非常重視BMS的開發。歷經政府與企業的共同努力、精誠合作，現階段BMS技術體系相對成熟。例如SK、DENSO、Preh、LG、Chem、Toyota、Bosch、Telsa等來自美國、韓國、日本、德國的企業如今在國際BMS市場上已經非常知名，并且時常份額極大。我國針對新能源汽車的研發起步較晚，所以開始BMS研究的時間比較晚，從國際市場上來看，市場份額與歐美、日韓發達國家和地區相比相差甚遠。但是近年來隨著科學發展觀的深化貫徹落實，政府對新能源汽車的重視力度不斷提升，積極引導企業與高校開展相關技術開發，后發優勢相當明顯。例如，北京交通大學與惠州億能電子合作研發的BMS技術，在北京奧運會的純動力大巴車上得到應用;冠拓以哈工大和北京理工大學科研項目為依托，自主研發的BMS技術方案已經在眾泰電動汽車上得到全面應用，并取得良好反饋效果;坐落在安徽省的力高新能源與中國科技大學合作研發的BMS技術為深圳223路混合動力公交車提供了技術支持[1]。與此同時，比亞迪、億能電子等優質企業在核心技術上已經達到世界先進水平，展示了我國在BMS技術上的后發優勢與力量。在政府、企業、高校的共同努力下，我國BMS在性能上具備明顯優勢，但是與國外高精尖技術相比較來看依舊存在差距，尤其在數據采集方面、SOC估算精度方面以及均衡技術方面依舊存在缺陷，所以我國BMS關鍵技術還有很長的路要走，需要政府、企業、科研人員的協同努力、進取創新。

4 電池SOC估算

新能源汽車動力電池SOC估算大體可以分為兩個方向：第一，將動力電池內部的電化學反應作為基礎開展的sOc估算;第二，以外部的特性參數作為依據進行的動力電池SOC估算。由于動力電池內部的電化學反應非常復雜，而動力電池的外部特性參數比較容易測定和計算，所以目前動力電池SOC估算的主要方法為后者這[2]。

將動力電池外部特性參數作為依據開展的SOC估算主要包括安時法、開路電壓法、內阻法等。安時法相對來講比較簡單，但是在操作的過程中容易出現積累性誤差，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合應用。開路電壓法相對來講也比較簡單，但是應用該方法的時候必須保證動力電池靜置到穩定的狀態，所以該方法在簡寫或者長時間靜置的工況下比較適用。內阻法的預測極值精度非常高，但是內阻與SOC之間的關系不夠穩定，所以該方法在應用的時候影響因素比較多，現階段應用范圍并不廣。內載電壓法操作十分簡單，但是該方法只能在實驗室中應用，對于電壓測定比較適用。神經網絡法的估算結果最為精準，但是在應用的時候需要海量信息作為依據，同時對于經驗要求比較苛刻，因此其在變電流工況下比較適用。卡爾曼濾波估算的結果同樣精準，對于SOC的初值要求不是很高，但是其針對模型的依賴程度很強，所以該方法在電流變化概率較大的工況下更為適用[3]。

結合上述幾種sOc估算方法的優勢與缺陷，很多技術人員提出了各自的估算模式。例如一部分技術人員針對動力電池的荷電狀態影響因素進行系統歸納總結，并以此為基礎，提出了將反向傳播神經網絡作為基礎的SOC估算方法，實踐表明該方法應用中獲得的輸出值與估算值誤差率為4%;也有一部分學者將二階RC等效電路作為理論基礎，應用有限差分卡爾曼濾波估算法針對動力電池的運行狀態進行測算，實踐表明這一方法取得的估算精度比較高。在國內外專家學者的共同努力與奮力進取中，動力電池SOC估算取得了質的進步。但是基于sOc的重要意義，其在精準性、時效性、適用性等方面依舊有待提高。

5 電池均衡

我國針對新能源汽車電池均衡展開的研究很多，總結起來大體分為兩個方向：第一，將動力電池內部的化學反應作為基礎實現電池均衡;第二，將動力電池外部的電路連接作為依據實現動力電池的均衡。由于動力電池內部的化學反應機制十分復雜，且可控性比較差，而外部電路相對簡便且可控性高，所以現階段對于第二種均衡的研究相對較多。以外部電路連接作為基礎的均衡又可以細分為被動均衡和主動均衡兩種。

被動均衡，即能量耗散型的均衡，主要通過電阻去直接消耗動力電池系統中存在的不均衡性電量，使得電動汽車電池系統得到均衡運行。這一方法在動力電池組充電的工況下比較適用，當系統發現單體電池已經滿足均衡條件的情況下，汽車內部的閉合開關就會自動切斷某一個開關，進而實現充電均衡。因為電阻在分流的過程中會釋放熱量，所以應用該均衡方案的時候需要進行散熱，這就導致能量損耗相對較大。但是運行成本比較低，所以目前受到廣泛青睞，已經成為新能源汽車市場上的主流均衡電路拓撲。主動均衡，即能量轉移型均衡，其將不具備能量消耗的元器件作為媒介，利用開關實現電量在各個電池中的動態轉移。所以該均衡方法可以根據均衡器件去細化，如電容均衡、電感均衡、組合均衡等。第一，電容均衡在運行的過程中主要將均衡主體與均衡對象之間的電壓差，當電壓差相對較大的情況下，電量轉移起來就比較容易，然而實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現電量轉移。第二，電感均衡將電感上通過的電流作為基礎，所以即使均衡主體與均衡對象二者之間的電壓差值比較低，也是可以實現電量瞬時轉移的，因此其與電容均衡相比，具備的電量轉移能力更強，并且在實踐應用中均衡電路的連接與控制都比較簡單。第三，電壓器均衡是將變壓器作為物質基礎，通過系列操作加大均衡主體與均衡對象之間的電壓差值，進而確保電量的快速轉移。但是變壓器自身存在漏磁問題，且控制的難度系數比較大，所以該均衡方式現階段并沒有廣泛應用。第四，組合均衡，其操作與控制相對簡單，效率比較高，但是成本很大。

6 結語

可持續發展理念下，新能源汽車產業發展前景極好，為推動電動新能源汽車產業的蓬勃發展，必須要做好動力電池技術創新。希望通過文章的闡述，可以使得相關企業、專家、學者以及全體技術人員認識我國BMS在關鍵技術上的短板，加強技術創新力度，完善動力電池技術體系，為推進電動汽車產業發展奠定堅實基礎。

項目1：本論文為南通市重點實驗室項目《新能源汽車電源技術重點實驗室》的成果，項目編號：JC218065。

項目2：江蘇工院科研計劃項目《農用無人機動力鋰電池在線均衡技術的研究》的成果，項目編號：GYKY/2016/13。

參考文獻：

[1]姚樂婧新能源汽車動力電池研究進展與展望[J/OL]當代化工研究，2019（ 10）.

[2]張智峰，徐玉芬，李軍紅新能源汽車動力電池關鍵技術的研究[J]中國新技術新產品，2018（ 23）：130-131

[3]郭強，鄭燕萍，孫偉明.新能源汽車動力電池關鍵技術的研究現狀[J].山東工業技術，2018（ 04）：46-47

作者簡介——

陳繼永：（1981.06-），男，江蘇銅山人，碩士研究生，講師。研究方向：新能源發電及新能源汽車技術。