动力电池系统在新能源汽车领域的应用<br/>——评《电动汽车动力电池及管理系统原理与检修》

动力电池系统在新能源汽车领域的应用
——评《电动汽车动力电池及管理系统原理与检修》

2021-09-03张垒

电池 2021年4期

张垒

(河南林业职业学院汽车与机电工程系，河南洛阳 471000 )

电池技术的发展促进了新能源汽车的普及，新能源汽车电池系统管理成为近几年研究的热点。杨光明等所著《电动汽车动力电池及管理系统原理与检修》一书，首先简要介绍动力电池相关知识，包括动力电池的组成结构、工作原理和性能指标等；然后聚焦动力电池的各种参数、性能测试，详述测试主要内容、指标及所用设备；接着列举电动汽车电池主要种类及各自的特点和结构原理，介绍动力电池的管理系统及其主要功能，如电量管理、热管理、均衡管理、数据通信和故障分析诊断等；最后，列举真实案例分析纯电动汽车和混合动力汽车动力电池系统的检修过程。

1 动力电池简介

近年来，科研人员在电动汽车电池的研发上投入大量精力，在降低电池系统成本的同时，提升了比能量和比功率。与其他种类电池相比，锂离子电池具有能量密度高、寿命长等优势，在我国已实现产业化设计和生产，目前，在电动汽车上应用较为广泛。动力电池的性能主要从放电倍率、能量、输出效率和寿命等方面来衡量，不同类型的电动汽车，对电池性能的要求也不同。以纯电动汽车为例，由于完全依靠电池提供动力，电池组的容量和能量要尽量大，且在深度放电的状态下，保证寿命不受影响。电动汽车动力电池系统主要由4个部分组成：①电池模组，通常由多个单体电池或电池模块通过串并联的方式组成，可储存电量；②电池箱，存放电池模组；③电池管理系统(BMS)，实时监控电池的状态，实现综合管理；④辅助元器件，主要包括传感器、继电器、开关和密封条等。

2 动力电池测试

在动力电池的研制、生产、封装过程中，需要进行测试，以保证性能满足要求，并确保安全性能达标。实际电动汽车电池组的测试主要包含：①静态容量测试，测试电动汽车在实际使用时，电池组的电量和容量能否满足需求；②动态容量测试，测试电池组在电动汽车行驶中的供电能力；③循环寿命测试，通过对电池组进行充放电，测量循环次数；④启动功率测试，在设定的温度和荷电状态(SOC)下，测试电池组的启动功率；⑤安全性测试，通过对电池组进行过充放电、强制放电、挤压和碰撞等测试，验证安全性能；⑥振动测试，检测在道路、撞击等外部条件下，振动对电池组性能的影响。此外，针对不同类型的电池，测试指标、方法也有所不同。测试电池时，需要用到专业的测试工具。例如，在测试电池的充放电性能时，会根据不同的电压和功率，选用恰当的充放电性能检测设备；测试电池的内阻和温度时，选用标准的内阻和温度测量设备；在测试电池温度、湿度和振动性能时，可以选择单独的试验箱和试验台，也可以选择综合试验台，实现模拟环境下3种因素的综合测试。在电池安全性测试方面，选用冲击试验机等设备，测试电池在受到撞击时的损伤程度；选用短路试验机等设备，测试电池在短路情况下的损伤程度；选用充放电试验平台等设备，测试电池在过度充放电情况下的损伤程度。

3 电动汽车电池分类

电动汽车电池组的电池有很多种类型，其中最常用的是铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。铅酸电池较早使用于电动汽车，价格便宜，制造简单，可靠性较高。镍氢电池是一种比功率高、充电速率快、寿命长的化学电池，可实现电动汽车的快速启动和加速，但是在充电和使用时容易出现内部温度过高而增大危险性的情况，且镍氢电池负极以储氢合金为材料，制造成本很高。锂离子电池自出现并发展至今，容量、寿命和能量密度等都有了巨大的进步，逐渐代替铅酸电池应用在电动汽车上。锂离子电池的正极活性物质主要是钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)和磷酸铁锂(LiFePO4)等，负极活性物质主要是石墨、碳纤维等碳材料，电解液通常为无水有机物或固体电解质，隔膜通常为(PE)、(PP)或复合材料，外壳则通常由铝或者钢材料构成。为增强安全性能，锂离子电池内部安装了安全阀，当电池运行异常时，安全阀能自动启动以保护电池。在各类锂离子电池中，LiFePO4正极锂离子电池在充电速度、耐高温性和安全性能和输出效率等方面具有一定的优势，且成本更低，经过多次循环后，放电容量仍能达到较高的水平，产业化后更适用于电动汽车。

4 电池管理系统

BMS是电动汽车动力电池的核心组成部分，它利用测得的电压、电流和温度等信息，分析动力电池的运行状态，实现电池保护。BMS的功能主要包括：①数据采集，对电池单体电压、温度、工作电流等信息进行采集；②能量管理，利用容量积分法、神经网络算法实现电池的SOC估计；③均衡管理，动力电池是由一定数量的单体电池组合而成，单体电池的性能不同，会导致动力电池在使用时出现一系列问题，因此，设置电压或SOC为均衡变量，根据不同的硬件电路设计，采用恰当的均衡策略，保证电池组正常运行时的性能均衡；④热管理，通过冷却系统降低动力电池内部温度，以延长寿命；⑤数据通信，实现BMS中的主控板与检测板、BMS与上位机、BMS与车载控制器等之间的数据通信；⑥故障检测诊断，检测和诊断BMS中的传感器、执行器及其他元器件，及时发现故障，提醒BMS采取相应的处理措施。

5 动力电池系统检修

该书介绍了纯电动汽车和混合动力汽车动力电池系统的检修。就纯电动汽车而言，不同厂家的车型配备的动力电池系统几乎都不相同。以比亚迪E6为例，在该车的动力电池系统中，电池组由90只LiFePO4正极锂离子电池串联而成，总容量为220 Ah，该车最大行驶里程为300 km。整个BMS由3部分组成：①电池管理器，BMS中包含1个电池管理器，主要功能是控制电池充放电、SOC估算等，监测电池运行状态，保证正常工作；②电池信息采集器(BIC)，BMS中包含11个BIC，主要实现电池信息的采集，对采样线进行异常监测，以及BMS的均衡管理；③动力电池采样线，作为桥梁，能够联通BIC和电池管理器，在二者之间传输信息。动力电池的故障诊断需要遵循的固定流程如下：①将汽车开入修理车间；②检查电池的电压，若为12～14 V，执行下一步操作；若电压低于12 V，则要进行充电，再执行下一步操作；③连接插件，接通ON档电，对照故障代码，检测电池故障类型；④针对检测出的故障，进行电池维修或更换；⑤重新进行电池测试，确保无故障产生。对于BIC的故障诊断，同样遵循相似的流程。具体到比亚迪E6而言，对电池进行检测时，首先是准备工作，即执行车辆熄火、电池负极拆卸、维修开关拆卸等操作；然后测量电池组和单体电池的电压，读取故障代码；最后根据故障代码，更换高压配电箱或动力电池包。整个过程需要专业人员来操作，并要佩戴绝缘手套。该书还给出了上汽荣威E50、北汽EV160/200两种车型动力电池系统的检测和维修过程。

在混合动力汽车上，通常配有一个普通的12 V直流电池，以及一个电压为36～600 V的高压直流电池系统。直流电池用来给汽车上常用的电器提供启动动力，高压直流电池系统则可以给电机提供能量，还具有储能功能。不同厂家的混合动力汽车配备的动力电池系统也各不相同。以第三代丰田普锐斯混合动力汽车为例，该车配备的高压电池系统由高压电池、电池管理器、控制总成、冷却系统和维修开关等组成。其中，高压电池是由28只镍氢电池模组串联组成，电压为201.6 V，是能量的存储单元；电池管理器用于监测电池的各种参数；冷却系统用于给电池降温，保护电池始终在正常温度下工作。该车还配备12 V直流电池，用于给大灯、音响等电器供电。汽车在长时间不使用时，应将12 V直流电池进行断电处理，防止电量耗尽。在对第三代丰田普锐斯混合动力汽车的电池系统进行维修时，主要利用欧姆表测量各个元器件的电阻值，判断是否需要更换。具体步骤如下：①对电池的加液口塞进行测试，查看导通性，若端子间的电阻值超出了正常范围，则需要更换加液口塞；②对电池的所有主继电器进行测试，查看导通性，测量电压、电阻等参数，若超出正常范围，则需要更换主继电器；③测量电流传感器的电阻值，若超出正常范围，则需要更换电流传感器；④测量系统主电阻器的电阻值，若超出正常范围，则需要更换系统主电阻器。操作人员必须具备专业技能，并要佩戴绝缘手套。此外，该书还给出了宝马X6、奥迪Q5等车型的动力电池系统的检测和维修过程。

6 结语

《电动汽车动力电池及管理系统原理与检修》一书结合理论指导和真实案例，详述动力电池的工作原理、系统结构、主要评价指标等；对动力电池的容量、寿命、启动功率等参数进行测试，给出测试的具体方法和所用设备；阐述电动汽车电池组的常用电池类型及结构原理、特点；给出BMS的主要功能；列举实际案例，说明电动汽车电池系统的检修方法。该书内容丰富饱满、逻辑明确，可供从事新能源汽车研究的人员参考。