纯电动汽车动力电池技术研究

张友龙 袁文强 芮凯 朱成燕

摘 要：随着环保、全球变暖等问题日渐显著，世界各国纷纷制定燃油车辆禁售时间表。纯电动汽车等新能源汽车成为替代燃油汽车的最佳选择。动力电池等关键技术成为制约纯电动汽车发展的关键因素，文章主要从应用层面对动力电池的评价、性能影响因素及电池管理系统进行论述，为动力电池选择及应用提供参考。

关键词：动力电池；评价指标；性能因素；电池管理

中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-19-04

Abstract： With environment， global warming and the other problems， all countries in the world have setted up a fuel vehicle ban schedule. EV and other new energy vehicle become the best alternative to fuel vehicle. Key technologies such as power batteries have became the key factors restricting the development of EV. This article mainly discusses the evaluation of power battery， the influencing factors of performance and the battery management system from the application level. Provide reference for the selection and application of power battery.

Keywords： Power battery； evaluating indicator； Performance factors； Battery management

CLC NO.： U461.99 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-19-04

1 纯电动汽车动力电池简介

作为纯电动汽车的能量来源，动力电池可以称之为纯电动汽车的“心脏”。其性能优劣直接影响到电动汽车的安全、续航、动力性、成本、使用经济性等整车性能。电动汽车动力电池满足纯电动汽车的使用需满足以下要求：1）高能量密度；2）高功率密度；3）使用寿命长；4）充电时间短；5）安全性好；6）维护方便；7）成本低等。

目前用于电动汽车的动力电池主要有：镍氢电池和锂离子电池，其中镍氢电池主要用于混合动力汽车；锂离子电池分为：钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸亚铁锂电池、锂聚合物电池、三元锂电池等，其中锰酸锂电池、三元锂电池和磷酸亚铁锂电池目前已在电动汽车上进行了批量应用。比亚迪E6、北汽EV160、腾势等纯电动汽车采用磷酸亚铁锂作为其动力电池，北汽EV200、比亚迪秦EV、吉利帝豪EV采用三元锂作为其动力电池，启辰晨风采用锰酸锂电池。各类型锂离子动力电池性能比较见表1。

2 纯电动汽车动力电池性能测试和评价指标

动力电池性能参数主要包括：电压、容量、内阻、能量密度、功率密度、荷电状态、放电深度、使用寿命、自放电率等。

2.1 动力电池容量测试

动力电池容量测试主要包括静态容量测试和动态容量测试。静态容量测试主要试验方法为恒温条件下恒流放电测试，其主要目的是检测动力电池组能量能否在预定的工况下正常工作。动态容量测试主要试验方法为采用设定的变电流工况或采集的车辆电流曲线进行放电性能测试，其目的是检测动力电池是否满足电动汽车的实际应用需求。

2.2 动力电池功率测试

动力电池峰值功率测试主要作用是得到电池在各种状态下的最大输入（输出）功率，主要包括：美国USABC峰值功率测试法、HPPC测试法、JEVS测试法和国标测试法。

USABC测试法主要针对纯电动汽车，该测试法是测试电池在不同放电深度（DOD）的2/3Uocv（电池开路电压）条件下持续30s放电功率能力。USABC测试方法从0%DOD到90%DOD每隔10%DOD检测电池的测试前1s和测试后第30s的电压U和电流I，通过式（2.1）和式（2.2）计算可以得到该DOD下的阻抗和空载电压UIRFree。

混合脉冲功率性能测试（HPPC）是在可用充放电电压范围内，使用充放电脉冲测试制度，测试10s放电脉冲结束时，电池最低电压放电脉冲功率能力和10s充电脉冲结束时电池最高电压充电脉冲功率能力。其主要运用在混合动力汽车上。

日本电动汽车协会标准（JEVS）《混合动力（电动）汽车用密闭型镍氢电池的输出密度及输入密度试验方法》测试步骤如表1，脉冲持续时间为10s，脉冲间隔时间为1h。通过不同DOD下不同脈冲电流测试，最后得到不同DOD下脉冲电流I与电池端电压U0的曲线图1，通过最小放电电压Umin及最大充电电压Umax得到该DOD下放电峰值功率 和充电峰值功率 。由于JEVS测试脉冲仍为恒流，其测试结果仍存在差异，因此仅使用于评价动力电池功率密度，不适用于电池的实时功率能力测试。

我国在GB/T31467等标准中中规定了动力锂离子蓄电池功率性能测试方法，其中规定了峰值功率和平均功率的测试方法。在通过环境适应、标准充电、标准循环、调整SOC、环境适应一系列试验后进行功率测试试验。在20%、50%、80%DOD状态下通过脉冲电流（如表2）测试在表2.2.3给定的时间测量电池端电压，计算通过电池峰值功率：每阶段脉冲放电闭路后0.1s是的电压与电流的乘积；电池平均功率：每阶段脉冲放电能量与放电时间的商。

2.3 动力电池荷电保持能力测试

动力电池荷电保持能力检测通常采用电池经过常温28天搁置后荷电状态保持率来计算，但此种方法耗时时间较长，不利于电池的批量化生产，因此有研究人员提出采用高温搁置的方法测定荷电保持能力，试验数据表明高温搁置法与常温搁置法对检测结果的影响较小，可以认同为同等效果。

2.4 动力电池寿命

GB31484规定了标准循环寿命和工况循环寿命两类动力电池寿命的测试方法。标准循环寿命测试为将电池经过500次1C恒流循环充放电后若电池放电容量高于初始容量的90%或1000次1C恒流循环充放电后放电容量高于初始容量的80%即认为电池标准循环寿命合格。

纯电动汽车工况循环寿命测试分为纯电动乘用车动力电池工况循环寿命测试和纯电动商用车动力电池工况循环寿命测试。纯电动乘用车动力电池工况循环寿命测试为：

1） 将电池以1C恒流充电至终止电压，转换至恒压充电至充电电流达到0.05C后静置30min；

2）按照表2.4.1规定的电流进行循环充放电，直至20%SOC；

3）搁置30min，重复步骤1）～3）共20h；

4）搁置2h，重复步骤1）～4）共6次，测试电池容量和能量；

5）重复步骤1）～4），直至总放电能量与电池初始能量的比值达500；

6）测试电池的容量和能量。

步骤6）测试的放电容量不低于初始容量的90%即认为工况循环寿命测试合格。

纯电动商用车仅循环测试电流同乘用车不同，此处不再赘述。

3 影响动力电池的性能的因素

除动力电池的类别造成的电池性能不同外，同类电池的制造工艺、负极材料、环境温度等因素同样会影响动力电池的性能。

3.1 制造工艺

以磷酸亚铁锂电池正负极材料制备工艺为例，有研究人员利用球磨工艺进行磷酸亚铁锂电池正负极材料搅拌后由于活性物质和导电剂在水性浆料中的分散性得到提升，用其制备出的电池较通过传统搅拌机制备的电池倍率放电容量和平台电压均有一定幅度的提高。

3.2 负极材料

以锂离子电池负极材料为例，锂电池的负极材料选择应满足下列条件：1）插锂是的氧化还原电位要低，最好接近Li的电位，有利于提高电池的能量密度；2）锂能够尽可能多的从负极材料中可逆的嵌入和脱嵌，提高电池的循环寿命；3）锂离子嵌入和脱出过程中材料结构没有或很少发生变化，确保良好的循环性；4）具有较好的电导率和离子扩散率，减少极化，有利于大电流充放电。不同负极材料锂离子电池性能对比见表3.2.1。

3.2.1 不同负极材料锂离子电池性能对比

目前对负极材料主要从纳米化、复合材料（如C-Si、C-Sn等）等方面进行研究，以求更高的能量密度、稳定性和安全性。

3.3 环境温度

较低的环境温度会减弱动力电池电极材料的活性并降低电池化学反应离子扩散速率，是影响电池容量的主要因素，某锰酸锂电池在进行C/3恒流放电试验时的容量温度特性曲线如图3.3.1所示。

适当提高环境温度会提高电池容量降低极化内阻等，但过高的温度会造成电池的正负极反应不可逆，破坏电池结构进而影响电池寿命。

4 电池管理系统

纯电动汽车电池管理系统主要作用为：1）监控电池剩余电量（SOC）；2）保证整车电池安全有效运行；3）提升整车电池的使用寿命和利用效率；4）电池故障诊断和故障排除。电池管理系统主要分为分布式和集中式两种。其中分布式电池管理系统由于其不受动力电池布局的影响可以分散布置，在车辆上应用广泛。电池管理系统按功能划分主要包括单体电池控制单元（CMU）和电池控制单元（BMU）。单体电池控制单元主要功能为监控单体电池电压、电流、SOC，单体电池均衡控制，单体电池热管理等。电池控制单元主要功能为监控电池组电压、电流、SOC，电池组均衡控制，电池组热管理等。电池管理系统除了负责监控均衡各电池状态和电池的热管理之外，还负责电池内部通信和整车控制器之间的通信，同时具备故障诊断和故障排除功能。

4.1 电池SOC估算方法

电池SOC估算方法主要有：负载电压法、开路电压法、安时积分法等。负载电压法是通过检测负载电压根据负载电压-SOC曲线估算电池SOC的方法。由于电压-SOC曲线受负载电流影响较大，负载电压法在恒流放电时能够实时准确的估算电池SOC状态，但很少在车辆上使用。

开路电压法是根据开路电压-SOC曲线进行SOC估算的方法。开路电压法虽不受电池运营工况的限制，但在测量开路电压时须将电池长时间静置以达到稳定电压。因此开路电压法在不适合用于汽车动力电池SOC的实时估算。通常用于充电初期和充电末期对电池SOC的估算。

安时积分法是通过对电池负载电流进行积分，获得动力电池的使用能量△Q，通过初始状态SOC0与△Q计算获得动力电池的当前SOCend。安时积分法虽然能够对动力电池的SOC进行准确的实时估算，但由于其原理为通过估算电池使用能量来计算SOC，安时积分法存在累计误差和无法解决因电池自放电等问题。因此需要定期修正SOC0。

4.2 电池安全控制

电池管理系统安全控制主要包括：上电控制、充电控制、温度控制及故障报警。上电控制主要功能是将电池管理系统等低压电路与电池供电系统等高压电路进行隔离，使电池管理系统工作更加稳定。同时通过硬件电路设计中增加预充电感的方式防止电池因上电瞬间电流过大造成损伤。充电控制包括电池管理系统与充电机的握手，充电参数配置，充电及充电结束控制等，充电控制主要作用是：1）建立动力电池与

充电机的参数化连接；2）动力电池或充电机充电故障报警；3）动力电池过充保护。温度控制主要是设定动力电池各工况温度阀值并对各工况温度阀值进行分级，通过分级确定电池管理系统的下一步动作。故障报警分为警示报警和禁行报警两类。警示报警主要提示驾驶员动力电池使用达到极限需进行充电、检修或降功率运行。禁行报警时说明电池继续使用会造成严重后果，通常包含强制性动作，如电池温度超过极限温度阀值有可能引发火灾或爆炸危险，电池管理系统会切断主回路。

5 总结

随着国家对新能源汽车投入的增加，动力电池的制造工艺不断改善，比容量和比功率不断提高，價格不断下降，目前各大汽车厂家纷纷推出量产化纯电动车型。相对于传统燃油汽车，纯电动汽车缺点主要有：续航里程短、充电时间长等，因此纯电动汽车动力电池的应用主要关注电池的能量密度、功率密度、使用寿命、自放电率等性能，在使用过程中电池管理系统提供的SOC状态、安全控制措施等同样影响动力电池在汽车上的应用。随着动力电池电极材料及制造工艺的改进，电池的能量密度、功率密度、使用寿命等关键参数也在不断突破，国内也出现了快充动力电池、电池快充技术等关键技术，相信在不就的将来纯电动汽车的使用将更加环保、安全、方便。

参考文献

[1] 姜久春等.电动汽车动力电池应用技术[J]，北京交通大学出版社， 2016.

[2] 金鑫.环保型磷酸亚铁锂锂离子电池工艺及其一致性研究[M]，湖南大学，2013.

[3] 毛子通.动力电池管理系统的仿真测试及研究，浙江大学[M]，2015.

[4] 马贝贝.电动汽车电池管理系统的研究与设计[M]，济南大学，2016.