纯电动汽车电池综合分析系统

刘伟韬 姬文超 代怡 李倩 张倍恺

摘 要：本文突破传统的电池热管理系统仅限制于在温度方面的分析，给出了一种简单有效的电池综合分析系统，涵盖电池热管理，电池电流、电压、充放电率、电池老化程度等方面的管理。该系统易于研究电池的最优运行环境，最优充电电量，最佳运行时间及故障分析。

关键词：纯电动汽车电池；电池分析系统；电池热管理

中图分类号：U469 文献标志码：A

随着市场上新能源电动汽车蓬勃发展，越来越多的企业家、政府也将目光转向了潜力巨大的电动汽车市场。这也是减缓燃油污染的重要方向，被人们视为环保节能的寄托。而随着第一批次汽车上市已达5年，普通电动汽车电池临近寿命年限，2018年国内市场将迎来第一波电池报废狂潮，多达6.39万吨的废旧电池将进入市场（网易汽车网）。而作为电动汽车“心脏”的电池报废，更换意味着需要花费整车1/3～1/2的价格，这无疑大幅增加了新能源用户的经济负担。而报废电池的污染问题也将挑战纯电动汽车的新能源角色席位。因此新能源电池的短寿命缺陷无疑是急需解决的问题，本文基于这个目的，根据现有装置构建了一个电池离线综合分析系统，用于在线分析电池状态，规避电池故障；离线分析电池最优运行环境，提高电池性能与寿命。

1 运行环境分析

从电池的运行温度分析，我们构建了如图1所示的系统装置，电池组由40节磷酸铁锂电池搭建而成（模拟主流锂电池电动汽车），温度传感器由YC105 14路热电阻采集模块搭配14路PT1000温度采集器，上位机为常用工业一体机，携带方便，操作简单。测温点选取加热板、电池组中部、出风口、进风口、加热面、冷却面等典型位置。温度信号由变送器传入上位机中的MCGS组态页面及数据库。控温方面，系统外围由良好的保温材料包装，与外界实现热隔绝，有利于温度控制；降温和升温设备合理分布在电池组两面，降温由效率更高的半导体制冷代替空冷，通过控制可精确调节温度在0.5℃内变化。升温采用普通加热棒搭配水循环装置，既经济方便，又能满足温度缓慢呈线性变化，精确调控在0.5℃内变化。测温系统足够采集-20℃～40℃（符合车辆正常行驶环境温度）内200个以上温度点，数据有效，具有分析价值。

2 主要性能参数分析

采集电池的主要性能参数，包括实际容量、电压、电流、充放电率、电池寿命等。如图2所示，电压采集设备采用PD3058-PLC32-V32路电压输出模块，可精确采集所有单节电池电压，实时收集每点电压，精度为0.01V。电流采用8路直流功率采集模块，可精确采集电池组干路电流，精度为0.001A。电池容量可根据放电干路电流×放电时间得出，充放电率可由充放电时间得出。我们主要是计算锂电池的循环寿命，在规定的充放电循环试验制度，包括在充放电速率、充放电深度和环境温度范围等条件下，测出电池的理论寿命，从而估算出电池的实际寿命。

3 SOC估算

SOC（电池剩余电量State of charge），本系统采用电池积分法和开路电压法相结合，可根据不同电池组的不同运行状态进行SOC估算。非运行状态下采用开路电压法，由开路电压（OCV： Open Circuit Voltage）与电池内部离子浓度之间变化关系，间接拟合OCV和SOC之间的关系曲线，再根据实际工作状态测得的电压值查取相应的电池SOC；运行状态下采用电池积分法，通过电池运行时累计充电和放电的电量来对电池进行SOC估算，并且根据放电率和电池温度进行补偿。这两种方法比较适合于本系统，能够支持大部分电池SOC估算。

4 安全机制

（1）连接失效：每隔2s上位机向各个收集器发送采集信号，超过两次未响应将进行问题提示。

（2）热失控报警：当电池组在适宜温度（-20℃～40℃）外，及短时间升温过快或降温过快时将进行报警。

（3）过流报警：当有过流现象时立即切断干路电流，停止供电并且报警（电动汽车启动时除外）。

5 分析方向

运行环境温度：控温装置改变电池组的温度，收集器收集相关电压、电流数据，分析电池的充放电率、电池损耗程度等，总结出电池组性能随温度变化规律，得出最优运行环境温度。

最优充放电电量：调节电池的SOC，对电池充电速率、损耗程度進行观察，总结出规律得出最优充放电电量。

最优运行时间：调节电池的SOC，将电池连接电动装备，进行放电实验，对电动装备运行状态、电池损耗程度进行观察，得出规律总结出最优运行时间。

故障分析：将个体电动汽车电池装入系统，对电池进行以上实验及单节电池电流电压测试，分析出电池存在的问题。

结语

该系统具备电池热管理分析，主要性能参数分析功能，对研究电池最佳运行环境，充放电时机，最佳运行时间范围具有重大意义。还可用于个体户分析个人电动汽车电池组状态，查找出一些可能存在的因为个别电池导致整体电池性能下降的问题。但该系统仍仅限于提高电池性能，小幅增加使用寿命。要彻底解决纯电动汽车电池寿命低，造价高等问题，对于电动汽车电池发展笔者有以下总结和猜想：

（1）电池衰减到总量的60%～80%时，动力电池就需被更换，所以如果合理的回收与利用被更换的电池组，将能产生更大的经济效益，弥补剩余价值损失。

（2）电池组中的贵金属钴、铜等贵金属的回收能产生有效价值并降低电池的环境污染。

（3）开发出针对动力电池更换频繁问题的新型电池，仅需对电池进行局部维修更换不用整组报废。

参考文献

[1]谭晓君.电动汽车电池管理系统设计[M].广州：中山大学出版社，2011.

[2]饶中浩，张国庆.电池热管理[M].北京：科学出版社，2015.

[3]陈志文.组态控制实用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]徐艳民.电动汽车动力电池及电池管理[M].北京：机械工业出版社，2017.