純電動汽車動力電池技術研究

張友龍 袁文強 芮凱 朱成燕

摘 要：隨著環保、全球變暖等問題日漸顯著，世界各國紛紛制定燃油車輛禁售時間表。純電動汽車等新能源汽車成為替代燃油汽車的最佳選擇。動力電池等關鍵技術成為制約純電動汽車發展的關鍵因素，文章主要從應用層面對動力電池的評價、性能影響因素及電池管理系統進行論述，為動力電池選擇及應用提供參考。

關鍵詞：動力電池；評價指標；性能因素；電池管理

中圖分類號：U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：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 純電動汽車動力電池簡介

作為純電動汽車的能量來源，動力電池可以稱之為純電動汽車的“心臟”。其性能優劣直接影響到電動汽車的安全、續航、動力性、成本、使用經濟性等整車性能。電動汽車動力電池滿足純電動汽車的使用需滿足以下要求：1）高能量密度；2）高功率密度；3）使用壽命長；4）充電時間短；5）安全性好；6）維護方便；7）成本低等。

目前用于電動汽車的動力電池主要有：鎳氫電池和鋰離子電池，其中鎳氫電池主要用于混合動力汽車；鋰離子電池分為：鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸亞鐵鋰電池、鋰聚合物電池、三元鋰電池等，其中錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸亞鐵鋰電池目前已在電動汽車上進行了批量應用。比亞迪E6、北汽EV160、騰勢等純電動汽車采用磷酸亞鐵鋰作為其動力電池，北汽EV200、比亞迪秦EV、吉利帝豪EV采用三元鋰作為其動力電池，啟辰晨風采用錳酸鋰電池。各類型鋰離子動力電池性能比較見表1。

2 純電動汽車動力電池性能測試和評價指標

動力電池性能參數主要包括：電壓、容量、內阻、能量密度、功率密度、荷電狀態、放電深度、使用壽命、自放電率等。

2.1 動力電池容量測試

動力電池容量測試主要包括靜態容量測試和動態容量測試。靜態容量測試主要試驗方法為恒溫條件下恒流放電測試，其主要目的是檢測動力電池組能量能否在預定的工況下正常工作。動態容量測試主要試驗方法為采用設定的變電流工況或采集的車輛電流曲線進行放電性能測試，其目的是檢測動力電池是否滿足電動汽車的實際應用需求。

2.2 動力電池功率測試

動力電池峰值功率測試主要作用是得到電池在各種狀態下的最大輸入（輸出）功率，主要包括：美國USABC峰值功率測試法、HPPC測試法、JEVS測試法和國標測試法。

USABC測試法主要針對純電動汽車，該測試法是測試電池在不同放電深度（DOD）的2/3Uocv（電池開路電壓）條件下持續30s放電功率能力。USABC測試方法從0%DOD到90%DOD每隔10%DOD檢測電池的測試前1s和測試后第30s的電壓U和電流I，通過式（2.1）和式（2.2）計算可以得到該DOD下的阻抗和空載電壓UIRFree。

混合脈沖功率性能測試（HPPC）是在可用充放電電壓范圍內，使用充放電脈沖測試制度，測試10s放電脈沖結束時，電池最低電壓放電脈沖功率能力和10s充電脈沖結束時電池最高電壓充電脈沖功率能力。其主要運用在混合動力汽車上。

日本電動汽車協會標準（JEVS）《混合動力（電動）汽車用密閉型鎳氫電池的輸出密度及輸入密度試驗方法》測試步驟如表1，脈沖持續時間為10s，脈沖間隔時間為1h。通過不同DOD下不同脈沖電流測試，最后得到不同DOD下脈沖電流I與電池端電壓U0的曲線圖1，通過最小放電電壓Umin及最大充電電壓Umax得到該DOD下放電峰值功率 和充電峰值功率 。由于JEVS測試脈沖仍為恒流，其測試結果仍存在差異，因此僅使用于評價動力電池功率密度，不適用于電池的實時功率能力測試。

我國在GB/T31467等標準中中規定了動力鋰離子蓄電池功率性能測試方法，其中規定了峰值功率和平均功率的測試方法。在通過環境適應、標準充電、標準循環、調整SOC、環境適應一系列試驗后進行功率測試試驗。在20%、50%、80%DOD狀態下通過脈沖電流（如表2）測試在表2.2.3給定的時間測量電池端電壓，計算通過電池峰值功率：每階段脈沖放電閉路后0.1s是的電壓與電流的乘積；電池平均功率：每階段脈沖放電能量與放電時間的商。

2.3 動力電池荷電保持能力測試

動力電池荷電保持能力檢測通常采用電池經過常溫28天擱置后荷電狀態保持率來計算，但此種方法耗時時間較長，不利于電池的批量化生產，因此有研究人員提出采用高溫擱置的方法測定荷電保持能力，試驗數據表明高溫擱置法與常溫擱置法對檢測結果的影響較小，可以認同為同等效果。

2.4 動力電池壽命

GB31484規定了標準循環壽命和工況循環壽命兩類動力電池壽命的測試方法。標準循環壽命測試為將電池經過500次1C恒流循環充放電后若電池放電容量高于初始容量的90%或1000次1C恒流循環充放電后放電容量高于初始容量的80%即認為電池標準循環壽命合格。

純電動汽車工況循環壽命測試分為純電動乘用車動力電池工況循環壽命測試和純電動商用車動力電池工況循環壽命測試。純電動乘用車動力電池工況循環壽命測試為：

1） 將電池以1C恒流充電至終止電壓，轉換至恒壓充電至充電電流達到0.05C后靜置30min；

2）按照表2.4.1規定的電流進行循環充放電，直至20%SOC；

3）擱置30min，重復步驟1）～3）共20h；

4）擱置2h，重復步驟1）～4）共6次，測試電池容量和能量；

5）重復步驟1）～4），直至總放電能量與電池初始能量的比值達500；

6）測試電池的容量和能量。

步驟6）測試的放電容量不低于初始容量的90%即認為工況循環壽命測試合格。

純電動商用車僅循環測試電流同乘用車不同，此處不再贅述。

3 影響動力電池的性能的因素

除動力電池的類別造成的電池性能不同外，同類電池的制造工藝、負極材料、環境溫度等因素同樣會影響動力電池的性能。

3.1 制造工藝

以磷酸亞鐵鋰電池正負極材料制備工藝為例，有研究人員利用球磨工藝進行磷酸亞鐵鋰電池正負極材料攪拌后由于活性物質和導電劑在水性漿料中的分散性得到提升，用其制備出的電池較通過傳統攪拌機制備的電池倍率放電容量和平臺電壓均有一定幅度的提高。

3.2 負極材料

以鋰離子電池負極材料為例，鋰電池的負極材料選擇應滿足下列條件：1）插鋰是的氧化還原電位要低，最好接近Li的電位，有利于提高電池的能量密度；2）鋰能夠盡可能多的從負極材料中可逆的嵌入和脫嵌，提高電池的循環壽命；3）鋰離子嵌入和脫出過程中材料結構沒有或很少發生變化，確保良好的循環性；4）具有較好的電導率和離子擴散率，減少極化，有利于大電流充放電。不同負極材料鋰離子電池性能對比見表3.2.1。

3.2.1 不同負極材料鋰離子電池性能對比

目前對負極材料主要從納米化、復合材料（如C-Si、C-Sn等）等方面進行研究，以求更高的能量密度、穩定性和安全性。

3.3 環境溫度

較低的環境溫度會減弱動力電池電極材料的活性并降低電池化學反應離子擴散速率，是影響電池容量的主要因素，某錳酸鋰電池在進行C/3恒流放電試驗時的容量溫度特性曲線如圖3.3.1所示。

適當提高環境溫度會提高電池容量降低極化內阻等，但過高的溫度會造成電池的正負極反應不可逆，破壞電池結構進而影響電池壽命。

4 電池管理系統

純電動汽車電池管理系統主要作用為：1）監控電池剩余電量（SOC）；2）保證整車電池安全有效運行；3）提升整車電池的使用壽命和利用效率；4）電池故障診斷和故障排除。電池管理系統主要分為分布式和集中式兩種。其中分布式電池管理系統由于其不受動力電池布局的影響可以分散布置，在車輛上應用廣泛。電池管理系統按功能劃分主要包括單體電池控制單元（CMU）和電池控制單元（BMU）。單體電池控制單元主要功能為監控單體電池電壓、電流、SOC，單體電池均衡控制，單體電池熱管理等。電池控制單元主要功能為監控電池組電壓、電流、SOC，電池組均衡控制，電池組熱管理等。電池管理系統除了負責監控均衡各電池狀態和電池的熱管理之外，還負責電池內部通信和整車控制器之間的通信，同時具備故障診斷和故障排除功能。

4.1 電池SOC估算方法

電池SOC估算方法主要有：負載電壓法、開路電壓法、安時積分法等。負載電壓法是通過檢測負載電壓根據負載電壓-SOC曲線估算電池SOC的方法。由于電壓-SOC曲線受負載電流影響較大，負載電壓法在恒流放電時能夠實時準確的估算電池SOC狀態，但很少在車輛上使用。

開路電壓法是根據開路電壓-SOC曲線進行SOC估算的方法。開路電壓法雖不受電池運營工況的限制，但在測量開路電壓時須將電池長時間靜置以達到穩定電壓。因此開路電壓法在不適合用于汽車動力電池SOC的實時估算。通常用于充電初期和充電末期對電池SOC的估算。

安時積分法是通過對電池負載電流進行積分，獲得動力電池的使用能量△Q，通過初始狀態SOC0與△Q計算獲得動力電池的當前SOCend。安時積分法雖然能夠對動力電池的SOC進行準確的實時估算，但由于其原理為通過估算電池使用能量來計算SOC，安時積分法存在累計誤差和無法解決因電池自放電等問題。因此需要定期修正SOC0。

4.2 電池安全控制

電池管理系統安全控制主要包括：上電控制、充電控制、溫度控制及故障報警。上電控制主要功能是將電池管理系統等低壓電路與電池供電系統等高壓電路進行隔離，使電池管理系統工作更加穩定。同時通過硬件電路設計中增加預充電感的方式防止電池因上電瞬間電流過大造成損傷。充電控制包括電池管理系統與充電機的握手，充電參數配置，充電及充電結束控制等，充電控制主要作用是：1）建立動力電池與

充電機的參數化連接；2）動力電池或充電機充電故障報警；3）動力電池過充保護。溫度控制主要是設定動力電池各工況溫度閥值并對各工況溫度閥值進行分級，通過分級確定電池管理系統的下一步動作。故障報警分為警示報警和禁行報警兩類。警示報警主要提示駕駛員動力電池使用達到極限需進行充電、檢修或降功率運行。禁行報警時說明電池繼續使用會造成嚴重后果，通常包含強制性動作，如電池溫度超過極限溫度閥值有可能引發火災或爆炸危險，電池管理系統會切斷主回路。

5 總結

隨著國家對新能源汽車投入的增加，動力電池的制造工藝不斷改善，比容量和比功率不斷提高，價格不斷下降，目前各大汽車廠家紛紛推出量產化純電動車型。相對于傳統燃油汽車，純電動汽車缺點主要有：續航里程短、充電時間長等，因此純電動汽車動力電池的應用主要關注電池的能量密度、功率密度、使用壽命、自放電率等性能，在使用過程中電池管理系統提供的SOC狀態、安全控制措施等同樣影響動力電池在汽車上的應用。隨著動力電池電極材料及制造工藝的改進，電池的能量密度、功率密度、使用壽命等關鍵參數也在不斷突破，國內也出現了快充動力電池、電池快充技術等關鍵技術，相信在不就的將來純電動汽車的使用將更加環保、安全、方便。

參考文獻

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