鉅大LARGE | 點擊量：651次 | 2022年11月25日
新能源汽車電池管理關鍵技術是什么？
近期，電動汽車起火事故頻發(fā)，電池安全再次成為行業(yè)關注的焦點。要確保電池安全，除了電池本身以外，電池管理也至關重要。在近日舉行的2019中國（西安）新能源汽車產業(yè)生態(tài)大會上，西安交通大學機械學院副教授、博士生導師徐俊做題為“新能源汽車電池管理關鍵技術分析”的精彩演講。
一、新能源汽車電池管理必要性分析徐俊表示，目前新能源汽車發(fā)展迅猛，但依然面臨著續(xù)駛里程、安全性、壽命、成本等方面的瓶頸。里程焦慮體現(xiàn)在多個方面，一是電動汽車總里程不能滿足需求，二是剩余電量不能準確提供。
要突破上述瓶頸，電動汽車電池系統(tǒng)面臨“四高”要求：高比能、高安全、高壽命、高狀態(tài)精度。如何在現(xiàn)有電池基礎上提高“四高”指標？這就是電池管理要做的工作。
電池管理系統(tǒng)主要功能分為四部分：一是采集，主要功能包括電壓、溫度、電流等信息的采集；二是輸出，即能否精確推算出剩余里程；三是均衡，即大量電池串在一起如何讓性能更好地發(fā)揮；四是熱管理，即保證電池工作在合適溫度具有更好性能。
二、動力電池狀態(tài)估計與故障診斷分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
動力電池狀態(tài)描述指標有SOC估計、SOH估計、SOP估計、SOE估計等。徐俊指出，電池狀態(tài)不能通過傳感器直接測量獲得，且電池系統(tǒng)具有很強的非線性和時變性，同時復雜多變的使用環(huán)境及使用工況增加了狀態(tài)估計的難度。
常見的SOC估計方法有安時積分法、基于數(shù)據(jù)驅動的方法、基于模型的方法等。據(jù)徐俊介紹，安時積分法的主要問題是初始SOC很難測量，目前的解決方案是安時積分法加校正，這種方法比較常用?；跀?shù)據(jù)驅動的方法有很多，比如神經(jīng)網(wǎng)絡模型等，這種方法需大量實驗數(shù)據(jù)訓練模型及高性能計算，且不具備通用性，因此在實際中運用較少?；谀Ｐ偷姆椒ù嬖诘闹饕獑栴}是，隨著電池衰減，模型隨時變化，造成估算不準確，該方法獲得大量的研究，已有部分投入實際使用。
常見的SOH估算方法有：直接測量法、在線估計、間接法等。直接測量法是指直接測量電池的特征參數(shù)以評價電池SOH，主要包括容量/能量測量、阻抗測量法，通常在實驗室條件下進行。在線估計的關鍵問題是SOC的準確性問題。間接法是利用其他量跟實際容量的關系獲得。
徐俊表示，電池系統(tǒng)復雜程度高，且高比能量高安全鋰電池安全性能尚處瓶頸，需在認清電池系統(tǒng)故障引發(fā)機制的基礎上，實現(xiàn)故障精準、提前預警，提高系統(tǒng)安全性。
三、動力電池均衡結構與策略分析
均衡主要是解決電池不一致的問題，而電池不一致是由多種原因導致的，包括生產制造環(huán)節(jié)造成的不一致和使用過程造成的不一致等。電池不一致容易造成過充電或過放電，進而有發(fā)生熱失控甚至爆炸的風險。
徐俊表示，均衡和重構是解決電池不一致性的有效方法。均衡拓撲結構是實現(xiàn)電池均衡的硬件基礎，拓撲結構的設計是電池均衡系統(tǒng)設計的最初環(huán)節(jié)，為后續(xù)的均衡控制策略的制定及實驗平臺的搭建提供設計基礎。
均衡分為被動均衡和主動均衡兩種方式。被動均衡是將電池中多余的能量通過電阻以熱能的形式耗散，直到所有電池狀態(tài)達到一致。其優(yōu)點是結構簡單、成本低，缺點是均衡效率較低、能量消耗嚴重。
一致性控制策略有基于電壓、基于SOC、基于容量等方式。其中，基于電壓的方式優(yōu)點是方便、直觀、簡單、廣泛使用，缺點是電池端電壓差距較小，均衡效果較差；基于SOC的方式可有有效避免過度均衡，但它對控制器設計要求較高，使用較為困難；基于容量的方式可獲得最大的使用容量，但是計算復雜，使用難度大。
四、動力電池結構設計與熱管理分析
徐俊指出，電池需要工作在非常合適的溫度范圍內，溫度過高或過低，都會影響電池的使用特性。電池在高溫環(huán)境下工作會使電池溫度過高而導致熱失控，嚴重時甚至會使電池發(fā)生爆炸。溫度太低時，電池所能釋放和充進的電量非常少，在低溫使用情況下電池會有內短路，而內短路有可能會產生熱失控。
熱管理目的是保障電池安全，使電池能夠發(fā)揮更好的使用效果。熱管理的主要作用有：
（1）當電池溫度過高時進行有效換熱，防止熱失控事故；
（2）當電池溫度較低時進行溫度預熱，確保充放電性能；
（3）減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區(qū)形成。因此，電池熱管理對提高汽車性能具有重要意義。
電池熱管理方法有風冷、液冷、相變材料、熱管等。徐俊坦言，在新能源車有大量補貼的情況下，目前市面上很多動力電池沒有熱管理。他認為，補貼退坡以后，大家都用產品說話，誰的技術更好，誰就能獲得更大的市場，實際使用者對產品的認可度就越高。
風冷，即空氣冷卻，冷卻介質為空氣。徐俊表示，目前在這方面比較有名的是普銳斯風冷系統(tǒng)，國內有些廠商所謂風冷就是加幾個風扇，效果不是特別好。
液冷形式在國內逐漸得到認可，越來越多的廠家推出的產品在使用液冷形式。
相變材料冷卻是把電池組直接浸在相變材料（PCM）中，也可以采用夾套式結構，在單體電池外部套一層環(huán)形PCM，形成一個稍大的單體電池，進而再組成電池組。在電池進行放電時，系統(tǒng)把熱量以相變潛熱的形式儲存在PCM中，從而吸收電池放出的熱量使電池溫度迅速降低。
熱管冷卻采用密封結構的空心管，利用蒸發(fā)相變來傳熱。熱管冷卻的主要優(yōu)勢是可以瞬間把熱量從一邊傳導到另一邊。據(jù)徐俊介紹，熱管在消費電子產品已有使用，在電動汽車電池管理系統(tǒng)中應用還比較少。
電池熱管理除了冷卻還包括低溫加熱。低溫加熱方法有外部加熱法和內部加熱法。外部加熱法包括空氣/液體加熱法、膜加熱法、其他加熱法等，內部加熱法包括交流電加熱法、內部自加熱法等。
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