新能源汽車動力電池關鍵技術的研究現狀

隨著交通運輸業的蓬勃發展和汽車保有量一路攀升，無疑在方便人民生活的同時，也給能源和環境帶來了嚴峻的挑戰[1]。大力發展新能源汽車、加快交通能源轉型是實現汽車工業可持續發展的重要途徑。而動力電池是電動汽車重要的動力源，因此對電池關鍵技術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力電池種類、管理系統、SOC 的估算以及電池均衡的研究現狀并進行歸納總結，為新能源電池進一步的發展研究提供的理論基礎。
1　動力電池的研究現狀
電動汽車運行工況復雜且需要具備一定的動力性、續駛里程和經濟性。因此，動力電池必須具備較高的電壓、比功率、比能量和循環使用次數。目前研究較多的動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 為常見動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　常見動力電池參數對比
由表1 可知，與其它三種動力電池相比，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汽車具有良好的動力性；具有更高的比能量和能量密度，使得裝有同質量和體積的鋰離子電池具有更高的續駛里程；具有較高的循環使用次數，能彌補由于價格高帶來的成本問題，使得經濟性較好。綜合上述，鋰離子電池更適合作為需要一定動力性、續駛里程和經濟性的電動汽車的動力源。
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業的扶持和新能源汽車自身的蓬勃發展，BMS 的發展一方面適逢機遇，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）整車廠與其它企業合作研發；（2）動力電池零部件廠配合整車廠要求研發；（3）第三方企業為整車廠提供BMS 方案；（4）高校在項目支持下獨立或校企合作研發。不管是哪種模式，zui終研發目標都是應用到實際的電動汽車上。
國外比較早就開始研究電動汽車，且剛開始就比較重視BMS 的研究。經過政府和各大企業幾十年的努力，已經形成了比較成熟的BMS 產品。來自美、日、韓、德國家的SK、DENSO、Preh、LGChem、Toyota、Bosch、sa 等企業已經占據了BMS 領域的半壁江山。
中國開始研究BMS 的時間較晚，在*上比不上美、日、韓、德。但在政府大力支持、高校的努力推動和企業的積極進取下，后發優勢非常明顯。通過校企互助，北京交通大學攜手惠州億能電子開發的BMS 成功應用在2008 年北京奧運的純電動大巴上；哈爾濱冠拓依靠哈爾濱工業大學和北京理工大學己成功將BMS 系統應用在眾泰電動車一些車型上；安徽力高新能源與中國科技大學合作，產品己用于深圳市223 路混動公交車上。一大批像比亞迪、寧德新能源、億能電子、杰能動力的這樣的企業已經在嶄露頭角。
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、均衡技術和安全管理和成本控制等方面。BMS仍然是我國電動汽車發展的一塊短板。
3　電池SOC 估算的研究現狀
電池SOC 的估算主要分為兩個方向：（1）基于電池內部電化學反應來估算電池的SOC；（2）基于外特性參數來估算電池的SOC?？紤]到電池的電化學反應一般比較復雜，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 的方法主要有安時法、開路電壓法、內阻法、負載電壓法、神經網絡法和卡爾曼濾波法。安時法比較簡單，但存在積累誤差，適用于恒流工況或與其他估算方法聯合使用；開路電壓法也比較簡單，但需要電池靜置至穩定才可使用，適用于簡寫和長時間靜置的工況；內阻法預測極值時精度較高，但內阻和SOC關系不穩定，所受影響因素多，很少使用；內載電壓法比較簡單，但用于實驗室，適用于電壓的測量；神經網絡法估算準確，但需要龐大的數據做基礎，主要依賴經驗，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缺點，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的影響因素歸納的基礎上，提出了基于反向傳播神經網絡的動力電池荷電狀態的估計方法，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進行估計，結果表明在估算過程中，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展。但鑒于電池SOC 對于BMS 和整車策略的重要性，在準確性、實時性和實用性方面對SOC 更進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，主要分為兩個方向：（1）基于電池內部化學反應來實現均衡；（2）基于電池外部電路連接來實現均衡[4]。鑒于電池化學反應復雜，而外部電路連接稍微簡便，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（被動均衡）和能量轉移型（主動均衡）。
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候，當檢測到單體電池達到均衡條件時，整體閉合開關組或者根據需要閉合某一個開關，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，通過開關選通使電量在電池之間進行轉移。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均衡電池與被均衡電池間的電壓差，電壓差較大時，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電感上通過的電流，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單；變壓器均衡是通過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，實現電量的轉移，但變壓器存在漏磁現象，且控制較難，難以實現；組合均衡能同時利用多種元器件同時均衡，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，成本低等優點目前被廣泛使用；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。
5　總結
我國對動力電池關鍵技術的研究與國外相比仍有較大差距，BMS仍然是我國電動汽車發展的一塊短板；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實現均衡。