純電動汽車電池綜合分析系統

劉偉韜 姬文超 代怡 李倩 張倍愷

摘 要：本文突破傳統的電池熱管理系統僅限制于在溫度方面的分析，給出了一種簡單有效的電池綜合分析系統，涵蓋電池熱管理，電池電流、電壓、充放電率、電池老化程度等方面的管理。該系統易于研究電池的最優運行環境，最優充電電量，最佳運行時間及故障分析。

關鍵詞：純電動汽車電池；電池分析系統；電池熱管理

中圖分類號：U469 文獻標志碼：A

隨著市場上新能源電動汽車蓬勃發展，越來越多的企業家、政府也將目光轉向了潛力巨大的電動汽車市場。這也是減緩燃油污染的重要方向，被人們視為環保節能的寄托。而隨著第一批次汽車上市已達5年，普通電動汽車電池臨近壽命年限，2018年國內市場將迎來第一波電池報廢狂潮，多達6.39萬噸的廢舊電池將進入市場（網易汽車網）。而作為電動汽車“心臟”的電池報廢，更換意味著需要花費整車1/3～1/2的價格，這無疑大幅增加了新能源用戶的經濟負擔。而報廢電池的污染問題也將挑戰純電動汽車的新能源角色席位。因此新能源電池的短壽命缺陷無疑是急需解決的問題，本文基于這個目的，根據現有裝置構建了一個電池離線綜合分析系統，用于在線分析電池狀態，規避電池故障；離線分析電池最優運行環境，提高電池性能與壽命。

1 運行環境分析

從電池的運行溫度分析，我們構建了如圖1所示的系統裝置，電池組由40節磷酸鐵鋰電池搭建而成（模擬主流鋰電池電動汽車），溫度傳感器由YC105 14路熱電阻采集模塊搭配14路PT1000溫度采集器，上位機為常用工業一體機，攜帶方便，操作簡單。測溫點選取加熱板、電池組中部、出風口、進風口、加熱面、冷卻面等典型位置。溫度信號由變送器傳入上位機中的MCGS組態頁面及數據庫。控溫方面，系統外圍由良好的保溫材料包裝，與外界實現熱隔絕，有利于溫度控制；降溫和升溫設備合理分布在電池組兩面，降溫由效率更高的半導體制冷代替空冷，通過控制可精確調節溫度在0.5℃內變化。升溫采用普通加熱棒搭配水循環裝置，既經濟方便，又能滿足溫度緩慢呈線性變化，精確調控在0.5℃內變化。測溫系統足夠采集-20℃～40℃（符合車輛正常行駛環境溫度）內200個以上溫度點，數據有效，具有分析價值。

2 主要性能參數分析

采集電池的主要性能參數，包括實際容量、電壓、電流、充放電率、電池壽命等。如圖2所示，電壓采集設備采用PD3058-PLC32-V32路電壓輸出模塊，可精確采集所有單節電池電壓，實時收集每點電壓，精度為0.01V。電流采用8路直流功率采集模塊，可精確采集電池組干路電流，精度為0.001A。電池容量可根據放電干路電流×放電時間得出，充放電率可由充放電時間得出。我們主要是計算鋰電池的循環壽命，在規定的充放電循環試驗制度，包括在充放電速率、充放電深度和環境溫度范圍等條件下，測出電池的理論壽命，從而估算出電池的實際壽命。

3 SOC估算

SOC（電池剩余電量State of charge），本系統采用電池積分法和開路電壓法相結合，可根據不同電池組的不同運行狀態進行SOC估算。非運行狀態下采用開路電壓法，由開路電壓（OCV： Open Circuit Voltage）與電池內部離子濃度之間變化關系，間接擬合OCV和SOC之間的關系曲線，再根據實際工作狀態測得的電壓值查取相應的電池SOC；運行狀態下采用電池積分法，通過電池運行時累計充電和放電的電量來對電池進行SOC估算，并且根據放電率和電池溫度進行補償。這兩種方法比較適合于本系統，能夠支持大部分電池SOC估算。

4 安全機制

（1）連接失效：每隔2s上位機向各個收集器發送采集信號，超過兩次未響應將進行問題提示。

（2）熱失控報警：當電池組在適宜溫度（-20℃～40℃）外，及短時間升溫過快或降溫過快時將進行報警。

（3）過流報警：當有過流現象時立即切斷干路電流，停止供電并且報警（電動汽車啟動時除外）。

5 分析方向

運行環境溫度：控溫裝置改變電池組的溫度，收集器收集相關電壓、電流數據，分析電池的充放電率、電池損耗程度等，總結出電池組性能隨溫度變化規律，得出最優運行環境溫度。

最優充放電電量：調節電池的SOC，對電池充電速率、損耗程度進行觀察，總結出規律得出最優充放電電量。

最優運行時間：調節電池的SOC，將電池連接電動裝備，進行放電實驗，對電動裝備運行狀態、電池損耗程度進行觀察，得出規律總結出最優運行時間。

故障分析：將個體電動汽車電池裝入系統，對電池進行以上實驗及單節電池電流電壓測試，分析出電池存在的問題。

結語

該系統具備電池熱管理分析，主要性能參數分析功能，對研究電池最佳運行環境，充放電時機，最佳運行時間范圍具有重大意義。還可用于個體戶分析個人電動汽車電池組狀態，查找出一些可能存在的因為個別電池導致整體電池性能下降的問題。但該系統仍僅限于提高電池性能，小幅增加使用壽命。要徹底解決純電動汽車電池壽命低，造價高等問題，對于電動汽車電池發展筆者有以下總結和猜想：

（1）電池衰減到總量的60%～80%時，動力電池就需被更換，所以如果合理的回收與利用被更換的電池組，將能產生更大的經濟效益，彌補剩余價值損失。

（2）電池組中的貴金屬鈷、銅等貴金屬的回收能產生有效價值并降低電池的環境污染。

（3）開發出針對動力電池更換頻繁問題的新型電池，僅需對電池進行局部維修更換不用整組報廢。

參考文獻

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