動力電池系統在新能源汽車領域的應用
——評《電動汽車動力電池及管理系統原理與檢修》

張 壘

(河南林業職業學院汽車與機電工程系，河南 洛陽 471000 )

電池技術的發展促進了新能源汽車的普及，新能源汽車電池系統管理成為近幾年研究的熱點。楊光明等所著《電動汽車動力電池及管理系統原理與檢修》一書，首先簡要介紹動力電池相關知識，包括動力電池的組成結構、工作原理和性能指標等；然后聚焦動力電池的各種參數、性能測試，詳述測試主要內容、指標及所用設備；接著列舉電動汽車電池主要種類及各自的特點和結構原理，介紹動力電池的管理系統及其主要功能，如電量管理、熱管理、均衡管理、數據通信和故障分析診斷等；最后，列舉真實案例分析純電動汽車和混合動力汽車動力電池系統的檢修過程。

1 動力電池簡介

近年來，科研人員在電動汽車電池的研發上投入大量精力，在降低電池系統成本的同時，提升了比能量和比功率。與其他種類電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、壽命長等優勢，在我國已實現產業化設計和生產，目前，在電動汽車上應用較為廣泛。動力電池的性能主要從放電倍率、能量、輸出效率和壽命等方面來衡量，不同類型的電動汽車，對電池性能的要求也不同。以純電動汽車為例，由于完全依靠電池提供動力，電池組的容量和能量要盡量大，且在深度放電的狀態下，保證壽命不受影響。電動汽車動力電池系統主要由4個部分組成：①電池模組，通常由多個單體電池或電池模塊通過串并聯的方式組成，可儲存電量；②電池箱，存放電池模組；③電池管理系統(BMS)，實時監控電池的狀態，實現綜合管理；④輔助元器件，主要包括傳感器、繼電器、開關和密封條等。

2 動力電池測試

在動力電池的研制、生產、封裝過程中，需要進行測試，以保證性能滿足要求，并確保安全性能達標。實際電動汽車電池組的測試主要包含：①靜態容量測試，測試電動汽車在實際使用時，電池組的電量和容量能否滿足需求；②動態容量測試，測試電池組在電動汽車行駛中的供電能力；③循環壽命測試，通過對電池組進行充放電，測量循環次數；④啟動功率測試，在設定的溫度和荷電狀態(SOC)下，測試電池組的啟動功率；⑤安全性測試，通過對電池組進行過充放電、強制放電、擠壓和碰撞等測試，驗證安全性能；⑥振動測試，檢測在道路、撞擊等外部條件下，振動對電池組性能的影響。此外，針對不同類型的電池，測試指標、方法也有所不同。測試電池時，需要用到專業的測試工具。例如，在測試電池的充放電性能時，會根據不同的電壓和功率，選用恰當的充放電性能檢測設備；測試電池的內阻和溫度時，選用標準的內阻和溫度測量設備；在測試電池溫度、濕度和振動性能時，可以選擇單獨的試驗箱和試驗臺，也可以選擇綜合試驗臺，實現模擬環境下3種因素的綜合測試。在電池安全性測試方面，選用沖擊試驗機等設備，測試電池在受到撞擊時的損傷程度；選用短路試驗機等設備，測試電池在短路情況下的損傷程度；選用充放電試驗平臺等設備，測試電池在過度充放電情況下的損傷程度。

3 電動汽車電池分類

電動汽車電池組的電池有很多種類型，其中最常用的是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鉛酸電池較早使用于電動汽車，價格便宜，制造簡單，可靠性較高。鎳氫電池是一種比功率高、充電速率快、壽命長的化學電池，可實現電動汽車的快速啟動和加速，但是在充電和使用時容易出現內部溫度過高而增大危險性的情況，且鎳氫電池負極以儲氫合金為材料，制造成本很高。鋰離子電池自出現并發展至今，容量、壽命和能量密度等都有了巨大的進步，逐漸代替鉛酸電池應用在電動汽車上。鋰離子電池的正極活性物質主要是鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等，負極活性物質主要是石墨、碳纖維等碳材料，電解液通常為無水有機物或固體電解質，隔膜通常為(PE)、(PP)或復合材料，外殼則通常由鋁或者鋼材料構成。為增強安全性能，鋰離子電池內部安裝了安全閥，當電池運行異常時，安全閥能自動啟動以保護電池。在各類鋰離子電池中，LiFePO4正極鋰離子電池在充電速度、耐高溫性和安全性能和輸出效率等方面具有一定的優勢，且成本更低，經過多次循環后，放電容量仍能達到較高的水平，產業化后更適用于電動汽車。

4 電池管理系統

BMS是電動汽車動力電池的核心組成部分，它利用測得的電壓、電流和溫度等信息，分析動力電池的運行狀態，實現電池保護。BMS的功能主要包括：①數據采集，對電池單體電壓、溫度、工作電流等信息進行采集；②能量管理，利用容量積分法、神經網絡算法實現電池的SOC估計；③均衡管理，動力電池是由一定數量的單體電池組合而成，單體電池的性能不同，會導致動力電池在使用時出現一系列問題，因此，設置電壓或SOC為均衡變量，根據不同的硬件電路設計，采用恰當的均衡策略，保證電池組正常運行時的性能均衡；④熱管理，通過冷卻系統降低動力電池內部溫度，以延長壽命；⑤數據通信，實現BMS中的主控板與檢測板、BMS與上位機、BMS與車載控制器等之間的數據通信；⑥故障檢測診斷，檢測和診斷BMS中的傳感器、執行器及其他元器件，及時發現故障，提醒BMS采取相應的處理措施。

5 動力電池系統檢修

該書介紹了純電動汽車和混合動力汽車動力電池系統的檢修。就純電動汽車而言，不同廠家的車型配備的動力電池系統幾乎都不相同。以比亞迪E6為例，在該車的動力電池系統中，電池組由90只LiFePO4正極鋰離子電池串聯而成，總容量為220 Ah，該車最大行駛里程為300 km。整個BMS由3部分組成：①電池管理器，BMS中包含1個電池管理器，主要功能是控制電池充放電、SOC估算等，監測電池運行狀態，保證正常工作；②電池信息采集器(BIC)，BMS中包含11個BIC，主要實現電池信息的采集，對采樣線進行異常監測，以及BMS的均衡管理；③動力電池采樣線，作為橋梁，能夠聯通BIC和電池管理器，在二者之間傳輸信息。動力電池的故障診斷需要遵循的固定流程如下：①將汽車開入修理車間；②檢查電池的電壓，若為12～14 V，執行下一步操作；若電壓低于12 V，則要進行充電，再執行下一步操作；③連接插件，接通ON檔電，對照故障代碼，檢測電池故障類型；④針對檢測出的故障，進行電池維修或更換；⑤重新進行電池測試，確保無故障產生。對于BIC的故障診斷，同樣遵循相似的流程。具體到比亞迪E6而言，對電池進行檢測時，首先是準備工作，即執行車輛熄火、電池負極拆卸、維修開關拆卸等操作；然后測量電池組和單體電池的電壓，讀取故障代碼；最后根據故障代碼，更換高壓配電箱或動力電池包。整個過程需要專業人員來操作，并要佩戴絕緣手套。該書還給出了上汽榮威E50、北汽EV160/200兩種車型動力電池系統的檢測和維修過程。

在混合動力汽車上，通常配有一個普通的12 V直流電池，以及一個電壓為36～600 V的高壓直流電池系統。直流電池用來給汽車上常用的電器提供啟動動力，高壓直流電池系統則可以給電機提供能量，還具有儲能功能。不同廠家的混合動力汽車配備的動力電池系統也各不相同。以第三代豐田普銳斯混合動力汽車為例，該車配備的高壓電池系統由高壓電池、電池管理器、控制總成、冷卻系統和維修開關等組成。其中，高壓電池是由28只鎳氫電池模組串聯組成，電壓為201.6 V，是能量的存儲單元；電池管理器用于監測電池的各種參數；冷卻系統用于給電池降溫，保護電池始終在正常溫度下工作。該車還配備12 V直流電池，用于給大燈、音響等電器供電。汽車在長時間不使用時，應將12 V直流電池進行斷電處理，防止電量耗盡。在對第三代豐田普銳斯混合動力汽車的電池系統進行維修時，主要利用歐姆表測量各個元器件的電阻值，判斷是否需要更換。具體步驟如下：①對電池的加液口塞進行測試，查看導通性，若端子間的電阻值超出了正常范圍，則需要更換加液口塞；②對電池的所有主繼電器進行測試，查看導通性，測量電壓、電阻等參數，若超出正常范圍，則需要更換主繼電器；③測量電流傳感器的電阻值，若超出正常范圍，則需要更換電流傳感器；④測量系統主電阻器的電阻值，若超出正常范圍，則需要更換系統主電阻器。操作人員必須具備專業技能，并要佩戴絕緣手套。此外，該書還給出了寶馬X6、奧迪Q5等車型的動力電池系統的檢測和維修過程。

6 結語

《電動汽車動力電池及管理系統原理與檢修》一書結合理論指導和真實案例，詳述動力電池的工作原理、系統結構、主要評價指標等；對動力電池的容量、壽命、啟動功率等參數進行測試，給出測試的具體方法和所用設備；闡述電動汽車電池組的常用電池類型及結構原理、特點；給出BMS的主要功能；列舉實際案例，說明電動汽車電池系統的檢修方法。該書內容豐富飽滿、邏輯明確，可供從事新能源汽車研究的人員參考。

書名：電動汽車動力電池及管理系統原理與檢修

作者：楊光明等 編著

ISBN：9787122344540

出版社：化學工業出版社

出版時間：2019-08-01

定價：￥48.00元