车载动力电池健康状态监测与控制

胡银全 刘和平

【摘  要】目前，新能源汽车行业已经成为汽车行业发展起来的新兴产业。当前，环境问题日益严峻，国家已经把环境治理定为一项基本国策，在这个发展形势下，新能源汽车行业突起，目前已经投入汽车市场，发展前景大好。新能源汽车主要依靠动力电池来发动，与传统汽油汽车不同，新能源电动车不仅环保，而且寿命长、安全性能较高，重量轻。论文针对车载动力电池荷电状态监测方法以及健康状态监测方法进行了探究，仅供参考。

【Abstract】At present， the new energy vehicle industry have become a new emerging industry in the automotive industry. Nowadays， the environmental problem is becoming more and more serious. Our country has made environmental governance a basic national policy. Under this development situation， the new energy vehicle industry is rising， which has been put into the automobile market， and the development prospect is very good. New energy vehicles mainly rely on power batteries to start， which is different from traditional gasoline vehicles. New energy electric vehicles are not only environmentally friendly， but also have long life， high safety performance and light weight. In this paper， the SOC monitoring methods and health monitoring methods of vehicle-mounted power battery were explored， for reference.

【關键词】车载动力电池;健康状态;监测;控制

【Keywords】 vehicle-mounted power battery; health status; monitor; control

【中图分类号】U469.72+2                                           【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）08-0110-02

1 引言

电动汽车主要由电机、电池和电控三大部分组成。其中，动力电池属于核心部件，动力电池的健康状态直接决定着电动汽车能否正常行驶，对动力电池的健康状态进行监测与控制，是对电动汽车做安全管理的基本内容，而对动力电池的健康状态监测包括多个方面的内容，如电压、电流、温度等，这些条件的监测是最基本的。

2 目前市场的车载动力电池

目前，电动车市场上有多种动力电池，常见的有磷酸铁锂电池、锂电池、镍氢电池、高铁电池、电容电池、燃料电池。每款电池都分别有它的优缺点，磷酸铁锂电池的主要优点是安全性能高、使用寿命长、大容量、重量轻、环保，而它的缺点是能量密度较低，材料的制备成本与电池的制造成本较高。锂电池在生活中是非常常见的一种电池，它的优点是能量高、使用寿命长，在使用过程中不会产生任何有害物质，不仅应用于电动汽车，在生活中也应用到多个方面。锂电池的应用虽然广泛，但是安全性能低、成本高。镍氢电池电动汽车最大的优势就是续航里程长，放电平稳，它的缺点是具有“记忆效应”，过度充电或者放电都会衰减动力电池的使用寿命，而在实际电动汽车中，厂商会在安全系统的设置上主动避免过度充放电。高铁电池的主要优点是体积小、重量轻、寿命长、无污染，但是生产高铁电池过程中对工艺要求非常高，如果生产过程出现任何问题，将会影响到电动汽车的正常使用。电容电池最大的优点就是可以反复充放电数十万次，寿命也比普通的化学电池要高很多，但它最大的缺点就是能量密度很低。燃料电池是将燃料和空气分别送进燃料电池，就能够生产出电来，它的优点是能量转换效率高，具有很强的过负载能力，缺点是燃料电池造价偏高，碳氢燃料无法直接利用等。每种动力电池各有各的优势与缺点，也应用于各种电动汽车的使用，根据购买者的需求和各种综合评价来选择最适合的一款电动汽车。

3 车载动力电池健康状态监测的重要性

电池老化是电动汽车使用中最常见的一种，电池种类多种多样，其内部结构也非常复杂，在行驶过程中如果出现任何问题，将会严重影响电动汽车的正常行驶，严重时还会发生严重的车祸。目前，已经有了动力电池健康状态监测与控制体系技术，它能够对电池性能、状态信息进行实时监测并且分析影响电池性能不断发展变化趋势，当系统发现动力电池可能会出现严重的故障时会立刻报警。电池都是有一定寿命的，使用时间过长，电池发生老化，在行驶过程中很容易发生故障。因此，对于电动汽车动力电池的健康状态进行监测和控制来说是非常重要的，它在一定程度上可以保证电动汽车的安全性，同时对动力电池进行全方位的实时监测，也让电动汽车在行驶过程中的安全性更高。

4 车载动力电池荷电状态监测方法

4.1 安时积分法

动力电池荷电状态的监测，称为SOC，安时积分法属于开环工作模式，通过计算采样电流对时间的积分得到实时的电池SOC，人们可以根据得到的电池荷电状态进而判断电池的运行状态。但是这种方法的应用也有一定的局限性，这种方法短时间内能维持较高的精确度，但是随着电池使用时间过长，测试电流的误差累计过多，该种方法的精确度会有所下降。

4.2 特征参量法

电池的特征参量法通常是电池的开路电压和内阻，而特征参量法通过测量电池的开路电压来得到对应的荷电状态监测值，但是在应用的过程中电池的开路电压非常难测量出，需要静置很长的时间才可以得到该数值，且数值会存在很大的误差。该种方法在实际应用中非常少，是因为测试设备昂贵，且测试过程非常复杂，因此应用较少。

4.3 数据驱动法

该种方法通过数据驱动的方法对电池荷电状态进行监测，再应用到电池狀态估计中。这种方法很大程度上是依靠电池训练数据的有效性和全面性，但是随着电池的持续应用，电池的训练数据在不断变化，同时训练数据也会慢慢失效，影响电池荷电状态的判断。

4.4 基于多种方法融合的估计方法

这种多种方法融合的估计方法属于闭环工作模式，这种估计方法融合了前几种SOC测量方法，将几种方法的优势与弱势有效融合在一起，可以发挥最大的监测作用，能够有效地对动力电池的荷电状态进行监测。这种方法应用广泛，而对于这种方法的应用研究还在不断继续，使其更加完善与多样化，能够监测到多种电池的荷电状态。目前，该方法中最具有代表性的有自适应扩展卡尔曼滤波技术、双扩展卡尔曼滤波技术等。

5 车载电池健康状态监测方法

5.1 直接放电法

车载动力电池健康状态监测，即SOH估计方法。首先是直接放电法，该方法利用负载对电池健康状态进行监测，但是该方法的操作过程非常复杂，且需要在离线状态下才能监测，而对于电动汽车来说是需要进行实时监测的，因而该方法并不具有实际意义。

5.2 测量内部阻抗法

动力电池的健康状态可以用欧姆内阻的关系式来表达，通过测量计算得到的欧姆内阻可以用来判断动力电池的健康状态。

5.3 电化学阻抗分析法

该方法又被称为EIS分析法。该种方法的主要思想是通过向被测量电池施加多个正弦信号，利用模糊理论得到的数据信息进行分析，可以用来预测电池的老化程度，该种方法的特点是测量结果很准确。但是同样的，该种方法需要利用大量数据作为支撑，在实际测量分析环境中，很难得到这么多的数据，因而这种方法在实际工作中并没有很大的实用性。

5.4 化学分析法

很多动力电池都是依靠化学电解质来产生电能的，具有代表性的应当是锂电池。因此，这类电池的健康状态主要是通过测量电解液密度变化值来估计电池健康状态的。但是这种方法的应用必须要破坏电池中的内部结构，经过破坏后电池无法再继续使用。因而，化学分析法的应用在实际生活中并不切实际，应用很少。

5.5 现代估计方法

现代估计方法主要是指对电池的健康状态进行定性定量分析，常见的应用算法主要有卡尔曼滤波算法、神经网络算法、模糊逻辑算法等。通过这种算法得出的数据都较为精确，能够实际地判断出动力电池目前的健康状态。因此，这种方法在实际应用中非常常见，成为使用率较高的一种测量方法。

6 结语

电动汽车作为新能源汽车的一种，自上市以来就受到了我国各界的广泛关注，新能源汽车的研究开发与应用意味着传统汽车暴露出的不足与劣势。传统汽车利用的都是汽油，汽油燃烧所生成的废气中二氧化碳含量最高，过量的二氧化碳造成的温室效应，使得全球气温升高，冰川融化，空气环境质量让人愈来愈担忧。近年来，人们已经体会到了环境污染带来的后果。因此，将更多精力与时间放在环境的治理上，以及新能源的开发应用上。很明显，新能源的开发应用是成功的，新能源是指再生能源，如太阳能、电能、光能、风能等，利用大自然中的自然现象将其转化为人们可应用的能量。电动汽车中应用的电池，就是利用多种方式转化为电能，电力将成为电动汽车的主要能源。同传统汽车需要定期保养一样，电动汽车的电池也需要定期进行更换和检查，就是判断电池的健康状态。正常情况下，电池都是有一定寿命的，电池过于老化会影响到行车安全。因此，电动健康状态的实时监测与控制是有必要的，本文也研究了多种监测方法，有效保证动力电池的健康状态是电动汽车行驶的最大保障。

【参考文献】

【1】董相龙.基于大数据分析的电动汽车动力电池充电能量预测[J]. 汽车世界，2019（08）：30.

【2】杨晴霞，李秀青，高建平，等.模型法估计电动汽车动力电池健康状态[J].河南科技大学学报（自然科学版），2020，185（04）：6+45-49.