新能源汽車(chē)動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究現狀

隨著(zhù)交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展和汽車(chē)保有量一路攀升，無(wú)疑在方便人民生活的同時(shí)，也給能源和環(huán)境帶來(lái)了嚴峻的挑戰[1]。大力發(fā)展新能源汽車(chē)、加快交通能源轉型是實(shí)現汽車(chē)工業(yè)可持續發(fā)展的重要途徑。而動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)重要的動(dòng)力源，因此對電池關(guān)鍵技術(shù)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(dòng)力電池種類(lèi)、管理系統、SOC 的估算以及電池均衡的研究現狀并進(jìn)行歸納總結，為新能源電池進(jìn)一步的發(fā)展研究提供的理論基礎。
1　動(dòng)力電池的研究現狀
電動(dòng)汽車(chē)運行工況復雜且需要具備一定的動(dòng)力性、續駛里程和經(jīng)濟性。因此，動(dòng)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(dòng)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(jiàn)動(dòng)力電池性能參數的對比。為了方便比較，表中數據均取均值。

表1　常見(jiàn)動(dòng)力電池參數對比
由表1 可知，與其它三種動(dòng)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(dòng)汽車(chē)具有良好的動(dòng)力性；具有更高的比能量和能量密度，使得裝有同質(zhì)量和體積的鋰離子電池具有更高的續駛里程；具有較高的循環(huán)使用次數，能彌補由于價(jià)格高帶來(lái)的成本問(wèn)題，使得經(jīng)濟性較好。綜合上述，鋰離子電池更適合作為需要一定動(dòng)力性、續駛里程和經(jīng)濟性的電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)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(chǎn)業(yè)的扶持和新能源汽車(chē)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。目前對BMS的研究主要有以下幾種模式：（1）整車(chē)廠(chǎng)與其它企業(yè)合作研發(fā)；（2）動(dòng)力電池零部件廠(chǎng)配合整車(chē)廠(chǎng)要求研發(fā)；（3）第三方企業(yè)為整車(chē)廠(chǎng)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，zui終研發(fā)目標都是應用到實(shí)際的電動(dòng)汽車(chē)上。
國外比較早就開(kāi)始研究電動(dòng)汽車(chē)，且剛開(kāi)始就比較重視BMS 的研究。經(jīng)過(guò)政府和各大企業(yè)幾十年的努力，已經(jīng)形成了比較成熟的BMS 產(chǎn)品。來(lái)自美、日、韓、德國家的SK、DENSO、Preh、LGChem、Toyota、Bosch、sa 等企業(yè)已經(jīng)占據了BMS 領(lǐng)域的半壁江山。
中國開(kāi)始研究BMS 的時(shí)間較晚，在*上比不上美、日、韓、德。但在政府大力支持、高校的努力推動(dòng)和企業(yè)的積極進(jìn)取下，后發(fā)優(yōu)勢非常明顯。通過(guò)校企互助，北京交通大學(xué)攜手惠州億能電子開(kāi)發(fā)的BMS 成功應用在2008 年北京奧運的純電動(dòng)大巴上；哈爾濱冠拓依靠哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)己成功將BMS 系統應用在眾泰電動(dòng)車(chē)一些車(chē)型上；安徽力高新能源與中國科技大學(xué)合作，產(chǎn)品己用于深圳市223 路混動(dòng)公交車(chē)上。一大批像比亞迪、寧德新能源、億能電子、杰能動(dòng)力的這樣的企業(yè)已經(jīng)在嶄露頭角。
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*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(shù)和安全管理和成本控制等方面。BMS仍然是我國電動(dòng)汽車(chē)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(gè)方向：（1）基于電池內部電化學(xué)反應來(lái)估算電池的SOC；（2）基于外特性參數來(lái)估算電池的SOC?？紤]到電池的電化學(xué)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(shí)法、開(kāi)路電壓法、內阻法、負載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法和卡爾曼濾波法。安時(shí)法比較簡(jiǎn)單，但存在積累誤差，適用于恒流工況或與其他估算方法聯(lián)合使用；開(kāi)路電壓法也比較簡(jiǎn)單，但需要電池靜置至穩定才可使用，適用于簡(jiǎn)寫(xiě)和長(cháng)時(shí)間靜置的工況；內阻法預測極值時(shí)精度較高，但內阻和SOC關(guān)系不穩定，所受影響因素多，很少使用；內載電壓法比較簡(jiǎn)單，但用于實(shí)驗室，適用于電壓的測量；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法估算準確，但需要龐大的數據做基礎，主要依賴(lài)經(jīng)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(diǎn)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)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zui大值為4%；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(jìn)行估計，結果表明在估算過(guò)程中，該方法能很好的保證估算的精度。
在眾多研究員的努力下，SOC 的估算取得了一定的進(jìn)展。但鑒于電池SOC 對于BMS 和整車(chē)策略的重要性，在準確性、實(shí)時(shí)性和實(shí)用性方面對SOC 更進(jìn)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(gè)方向：（1）基于電池內部化學(xué)反應來(lái)實(shí)現均衡；（2）基于電池外部電路連接來(lái)實(shí)現均衡[4]。鑒于電池化學(xué)反應復雜，而外部電路連接稍微簡(jiǎn)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(dòng)均衡）和能量轉移型（主動(dòng)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(shí)候，當檢測到單體電池達到均衡條件時(shí)，整體閉合開(kāi)關(guān)組或者根據需要閉合某一個(gè)開(kāi)關(guān)，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(guò)開(kāi)關(guān)選通使電量在電池之間進(jìn)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(lài)均衡電池與被均衡電池間的電壓差，電壓差較大時(shí)，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(guò)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(lài)電感上通過(guò)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(shí)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(jiǎn)單；變壓器均衡是通過(guò)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(shí)現電量的轉移，但變壓器存在漏磁現象，且控制較難，難以實(shí)現；組合均衡能同時(shí)利用多種元器件同時(shí)均衡，均衡速度快，效率高，但控制較難，成本較高。
表2　均衡拓撲方案對比

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(diǎn)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(diǎn)。
5　總結
我國對動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究與國外相比仍有較大差距，BMS仍然是我國電動(dòng)汽車(chē)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(lái)實(shí)現均衡。