新能源汽车动力电池关键技术分析与探究

陈继永 卢欣欣

摘要：本文以新能源汽车为研究视角，针对新能源汽车动力电池关键技术展开分析讨论。从动力电池的类型出发，透过电池管理系统、电池SOC估算、电池均衡三个方面探讨我国动力电池技术的不足和发展方向。希望为相关工作的开展带去参考借鉴。

关键词：新能源汽车;动力电池;电池均衡

1 前言

新能源汽車在能源危机日益严峻和可持续发展理念深化落实的背景下应运而生，其不仅利于变革汽车产业布局，同时能够缓解能源紧张的局势。而在新能源汽车中，动力电池是关键技术，所以认识动力电池关键技术的发展方向至关重要。

2 动力电池

电动汽车的运行工况相对来讲比较复杂，并且需要其具备动力性与经济性特点。所以动力电池必须要具备电压高、比功率高、比能量高以及可循环使用等特点。现阶段应用比较广泛的、投入研究比较多的动力电池主要有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池，这几类电池的性能参数如表1所示，为了比对方便，该统计都取平均值。通过表1的分析可见，锂离子电池与其他动力电池相比，单体额定电压比较高，可以有效减少能量损失;锂离子电池的功率密度以及比功率相对较高，这就使得锂离子电池具备更好的行驶里程;与此同时锂离子电池的循环使用次数明显高于其他三类动力电池，虽然价格相对较高，但是由于其使用性能较佳，可以在一定程度上综合成本问题，具备较好的综合经济性。

3 电池管理系统

能源危机不断激烈的背景下，各国政府对于新能源的开发与利用效率不断提高，新能源汽车产业如火如荼的发展起来，BMS在这一语境下机遇与挑战并行。现阶段针对BMS的研究主要分为以下四种模式：第一，汽车生产企业与其他相关企业合作研究;第二，动力电池厂商适应整车生产厂家的需求展开技术开发;第三，第三方企业为新能源汽车企业提供BMS技术方案;第四，各大高校响应国家号召，自主或者通过校企合作开发新技术。无论哪种技术研究模式，最终目标都是将其应用到新能源汽车上，推动电动汽车产业的发展。

发达国家和地区针对电动汽车的研究比较早，并且在开始电动汽车研究的同时就非常重视BMS的开发。历经政府与企业的共同努力、精诚合作，现阶段BMS技术体系相对成熟。例如SK、DENSO、Preh、LG、Chem、Toyota、Bosch、Telsa等来自美国、韩国、日本、德国的企业如今在国际BMS市场上已经非常知名，并且时常份额极大。我国针对新能源汽车的研发起步较晚，所以开始BMS研究的时间比较晚，从国际市场上来看，市场份额与欧美、日韩发达国家和地区相比相差甚远。但是近年来随着科学发展观的深化贯彻落实，政府对新能源汽车的重视力度不断提升，积极引导企业与高校开展相关技术开发，后发优势相当明显。例如，北京交通大学与惠州亿能电子合作研发的BMS技术，在北京奥运会的纯动力大巴车上得到应用;冠拓以哈工大和北京理工大学科研项目为依托，自主研发的BMS技术方案已经在众泰电动汽车上得到全面应用，并取得良好反馈效果;坐落在安徽省的力高新能源与中国科技大学合作研发的BMS技术为深圳223路混合动力公交车提供了技术支持[1]。与此同时，比亚迪、亿能电子等优质企业在核心技术上已经达到世界先进水平，展示了我国在BMS技术上的后发优势与力量。在政府、企业、高校的共同努力下，我国BMS在性能上具备明显优势，但是与国外高精尖技术相比较来看依旧存在差距，尤其在数据采集方面、SOC估算精度方面以及均衡技术方面依旧存在缺陷，所以我国BMS关键技术还有很长的路要走，需要政府、企业、科研人员的协同努力、进取创新。

4 电池SOC估算

新能源汽车动力电池SOC估算大体可以分为两个方向：第一，将动力电池内部的电化学反应作为基础开展的sOc估算;第二，以外部的特性参数作为依据进行的动力电池SOC估算。由于动力电池内部的电化学反应非常复杂，而动力电池的外部特性参数比较容易测定和计算，所以目前动力电池SOC估算的主要方法为后者这[2]。

将动力电池外部特性参数作为依据开展的SOC估算主要包括安时法、开路电压法、内阻法等。安时法相对来讲比较简单，但是在操作的过程中容易出现积累性误差，所以该方法在恒流工况中比较适用，并且通常与其他估算方法联合应用。开路电压法相对来讲也比较简单，但是应用该方法的时候必须保证动力电池静置到稳定的状态，所以该方法在简写或者长时间静置的工况下比较适用。内阻法的预测极值精度非常高，但是内阻与SOC之间的关系不够稳定，所以该方法在应用的时候影响因素比较多，现阶段应用范围并不广。内载电压法操作十分简单，但是该方法只能在实验室中应用，对于电压测定比较适用。神经网络法的估算结果最为精准，但是在应用的时候需要海量信息作为依据，同时对于经验要求比较苛刻，因此其在变电流工况下比较适用。卡尔曼滤波估算的结果同样精准，对于SOC的初值要求不是很高，但是其针对模型的依赖程度很强，所以该方法在电流变化概率较大的工况下更为适用[3]。

结合上述几种sOc估算方法的优势与缺陷，很多技术人员提出了各自的估算模式。例如一部分技术人员针对动力电池的荷电状态影响因素进行系统归纳总结，并以此为基础，提出了将反向传播神经网络作为基础的SOC估算方法，实践表明该方法应用中获得的输出值与估算值误差率为4%;也有一部分学者将二阶RC等效电路作为理论基础，应用有限差分卡尔曼滤波估算法针对动力电池的运行状态进行测算，实践表明这一方法取得的估算精度比较高。在国内外专家学者的共同努力与奋力进取中，动力电池SOC估算取得了质的进步。但是基于sOc的重要意义，其在精准性、时效性、适用性等方面依旧有待提高。

5 电池均衡

我国针对新能源汽车电池均衡展开的研究很多，总结起来大体分为两个方向：第一，将动力电池内部的化学反应作为基础实现电池均衡;第二，将动力电池外部的电路连接作为依据实现动力电池的均衡。由于动力电池内部的化学反应机制十分复杂，且可控性比较差，而外部电路相对简便且可控性高，所以现阶段对于第二种均衡的研究相对较多。以外部电路连接作为基础的均衡又可以细分为被动均衡和主动均衡两种。

被动均衡，即能量耗散型的均衡，主要通过电阻去直接消耗动力电池系统中存在的不均衡性电量，使得电动汽车电池系统得到均衡运行。这一方法在动力电池组充电的工况下比較适用，当系统发现单体电池已经满足均衡条件的情况下，汽车内部的闭合开关就会自动切断某一个开关，进而实现充电均衡。因为电阻在分流的过程中会释放热量，所以应用该均衡方案的时候需要进行散热，这就导致能量损耗相对较大。但是运行成本比较低，所以目前受到广泛青睐，已经成为新能源汽车市场上的主流均衡电路拓扑。主动均衡，即能量转移型均衡，其将不具备能量消耗的元器件作为媒介，利用开关实现电量在各个电池中的动态转移。所以该均衡方法可以根据均衡器件去细化，如电容均衡、电感均衡、组合均衡等。第一，电容均衡在运行的过程中主要将均衡主体与均衡对象之间的电压差，当电压差相对较大的情况下，电量转移起来就比较容易，然而实际上均衡电池与被均衡电池二者的电压差值往往较低，所以如果不配合其他均衡方法难以实现电量转移。第二，电感均衡将电感上通过的电流作为基础，所以即使均衡主体与均衡对象二者之间的电压差值比较低，也是可以实现电量瞬时转移的，因此其与电容均衡相比，具备的电量转移能力更强，并且在实践应用中均衡电路的连接与控制都比较简单。第三，电压器均衡是将变压器作为物质基础，通过系列操作加大均衡主体与均衡对象之间的电压差值，进而确保电量的快速转移。但是变压器自身存在漏磁问题，且控制的难度系数比较大，所以该均衡方式现阶段并没有广泛应用。第四，组合均衡，其操作与控制相对简单，效率比较高，但是成本很大。

6 结语

可持续发展理念下，新能源汽车产业发展前景极好，为推动电动新能源汽车产业的蓬勃发展，必须要做好动力电池技术创新。希望通过文章的阐述，可以使得相关企业、专家、学者以及全体技术人员认识我国BMS在关键技术上的短板，加强技术创新力度，完善动力电池技术体系，为推进电动汽车产业发展奠定坚实基础。

项目1：本论文为南通市重点实验室项目《新能源汽车电源技术重点实验室》的成果，项目编号：JC218065。

项目2：江苏工院科研计划项目《农用无人机动力锂电池在线均衡技术的研究》的成果，项目编号：GYKY/2016/13。

参考文献：

[1]姚乐婧新能源汽车动力电池研究进展与展望[J/OL]当代化工研究，2019（ 10）.

[2]张智峰，徐玉芬，李军红新能源汽车动力电池关键技术的研究[J]中国新技术新产品，2018（ 23）：130-131

[3]郭强，郑燕萍，孙伟明.新能源汽车动力电池关键技术的研究现状[J].山东工业技术，2018（ 04）：46-47

作者简介——

陈继永：（1981.06-），男，江苏铜山人，硕士研究生，讲师。研究方向：新能源发电及新能源汽车技术。