新能源汽車動力電池健康狀態監測的研究

周新 陳忠愷

摘要：本文闡述了新能源汽車動力電池健康狀態的影響因素，主要包括溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性等5個因素，進一步通過對RS485、CAN通信檢測、電池模組、電池均衡板、接觸器等設備進行動力電池健康狀態監測數據選取設置，優化動力電池健康狀態的各項監測指標，實現保護動力電池健康、提高整車性能、充分使用動力電池的性能、提高經濟性等功能。

Abstract： This paper expounds the new energy vehicles the influence factors of power battery state of health， including the temperature， battery capacity attenuation， charge and discharge current， self-discharge， consistency and so on five factors， further through the RS485 and CAN communication balanced detection， battery module， panels， contactor and other equipment power battery health status monitoring data selection of Settings， Optimize various monitoring indicators of power battery health state， realize the protection of power battery health， improve vehicle performance， make full use of power battery performance， improve economy and other functions.

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;健康狀態;監測

Key words： new energy vehicle;power battery;health status;monitoring

中圖分類號：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0164-02

0? 引言

隨著石化燃料帶來的能源危機、環境污染等世界性難題不斷突出。發展新型環保可再生能源已然成為全世界發展的有效途徑。政策驅動全球汽車電動化，疫情下產業趨勢進一步加強。“新基礎設施建設”比傳統基礎設施更致力于建設高科技基礎設施，“新基礎設施建設”主要包括5G基礎設施、特高壓、城際高鐵列車和城市軌道交通、新能源汽車、大數據中心、人工智能等7個主要領域[1]，而電動汽車動力電池產業鏈涵蓋了采礦、冶金、活性的材料（包括分離器及正負極材料等）、單體電池、組裝以及回收電池等多個上下游市場。

新能源汽車占比率在此背景下得到持續增長，帶動鋰電及四大材料的需求。2020年全球汽車銷量7528萬輛，純電動汽車307萬輛，純電動汽車占比率4%;2025年預測世界汽車銷量9328.3萬輛，純電動汽車1253.6萬輛，純電動汽車占比率可突破15%，到時候動力鋰電池CAGR6使用量可達35%。因此對新能源汽車動力電池健康狀態各項參數指標進行監測與優化就變得至關重要了。如表1所示。

1? 動力電池及管理系統

1.1 動力電池技術分析? 動力電池由若干電池模組組合而成，電池模組再由是若干單體電池個體串并聯連接之后組合而成，當然動力電池組連接的方式可分為直接串聯、先并聯后串聯及先串聯后并聯三種方式。動力電池一般按照材料來分為鉛酸電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池、鋰離子聚合物電池等4種。各種參數如表2所示。

1.2 動力電池管理系統技術分析? 電池的基本參數有單體電壓參數、電池容量參數、電池內阻參數、電池能量與能量密度、功率與功率密度、放電深度、使用壽命、自放電率、不一致性、放電制度、荷電狀態等。

電池容量表示在放電率、電池溫度、終了電壓等一定條件下電池放出的電荷量，即電池的容量，通常以安培.小時，用A.h表示，1A.h=3600C，為單位。因此影響電池的因素有溫度、充放電、不一致性。如圖1所示，磷酸鐵鋰電池在-20℃、25℃、50℃的放電容量、電壓的變化。

因此，為了確保動力電池的穩定性，純電動汽車配置有對動力電池各項工作參數進行監測的管理系統，即是動力電池管理系統，動力電池管理系統通常由電源模塊、CPU、模塊文檔控制、電壓網絡、溫度控制網絡、電流采集、輸出接口、CAN總線接口、電子開關等模塊組成。

2? 動力電池健康狀態和剩余壽命預測的數據

2.1 動力電池健康狀態數據分析? 動力電池管理系統監測數據主要包括有：采集監測數據、電池狀態監測管理、能量監測控制、安全監測控制、熱監控、均衡監測控制、通信功能和人機功能接口。根據電池的正負極材料、電池的外形、電池的容量、電池的化學特性等特性，對動力電池組的數據監測采集主要是電池電壓、電流、單體電池溫度等[2];動力電池健康狀態管理主要在于熱監控、均衡控制的能量監控;安全管理主要監測充放電繼電器、人機通信接口的安全。

2.2 動力電池荷電狀態分析? 荷電狀態用SOC（stateofcharge）表示，反映動力電池的剩余電池容量，其數值上定義為剩余電池容量占額定電池容量的比值，監測數據值范圍為0～100%，當SOC=100%時表示電池完全充滿而SOC=0%時表示電池完全放電。

荷電狀態是防止動力電池過度充電和過度放電的主要參數，正確監測動力電池組的荷電狀態可以最大限度提高動力電池組的利用率以保證動力電池組的使用年限。

電池荷電狀態，其經典的表達式為：

SOC=Qre/Qall*100%

式中Qre表示動力電池中剩余的電荷量;

Qall表示動力電池的標稱電壓。

若考慮電池容量的衰減，那么公式可轉化為：

SOC=Qre/（Qused+Qre）*100%

式中Qused表示在最后一次充滿電的情況下，電池已經放掉的電荷量。

2.3 動力電池健康狀態影響因素? 動力電池管理系統通過網關調度程序，主要包括SOC計算、電流測量、電壓測量、均衡控制、溫度控制、報警、輸出控制、CAN通信、UART通信。其中動力電池健康狀態影響因素主要取決于溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性。

①溫度：在不同溫度下，動力電池容量會在范圍內有所變化。②電池容量衰減：電池的容量在循環期間逐漸減小，因此電量的校正條件必須不斷更改。③充放電電流：動力電池與額定充放電條件相比來說一般顯示出大電流充放電容量低于額定容量，小電流充放電容量大于額定容量。④自放電：電池內部的化學反應會導致自放電，插入時會導致電源故障，自放電的程度主要取決于環境溫度，必須根據實驗數據進行校正。⑤一致性：電池組的建模和容量估算與單節電池的建模和容量估算有所不同，并且電池組的一致性差異對性能估算有重要影響。根據總電池電壓估算并校正電池的性能。如果電池差異很大，將導致估算精度的較大誤差。

2.4 動力電池健康狀態監測? 通過對RS485、CAN通信檢測、電池模組、電池均衡板、接觸器等設備進行動力電池健康狀態監測數據選取設置。如圖2所示。

最終確定了將電池的容量作為鋰離子電池健康狀態的評價指標，并基于鋰離子電池充放電過程的狀態參數，提出將電壓、電流、溫度、荷電狀態（SOC）聯合作為健康因子進行SOH估計。

3? 動力電池健康狀態監測效果

3.1 保護動力電池健康? 正確監測動力電池健康狀態指標參數，比如荷電狀態值，將荷電狀態狀態控制在一定范圍內（例如20%至80%）可以防止電池過度充電或過度充電從而確保電池的正常使用并延長電池壽命。

3.2 提高整車性能? 在沒有針對動力電池的準確監視數據的情況下，車輛控制策略必須保守地使用電池確保安全使用動力電池以防止動力電池過度充電和放電，從而使動力電池無法完全用盡潛在的動力，這會降低整個車輛的性能。

4? 結論

動力電池作為新能源汽車的三大核心總成之一，對動力電池健康狀態監測評估尤為重要，在監測數據分析中發現，動力電池健康狀態主要取決于溫度、電池容量衰減、充放電電流、自放電、一致性等5個影響因素，相信通過對RS485、CAN通信檢測、電池模組、電池均衡板、接觸器等設備進行動力電池健康狀態監測數據選取設置，進一步優化動力電池健康狀態的監測指標。

參考文獻：

[1]李曉棟.新基建背景下靜態交通產業發展研究[J].中國商論，2021（06）：159-161.

[2]張人杰，李聰.鋰電池組新型分層均衡控制策略[J].農業裝備與車輛工程，2021，59（03）：5.

[3]肖業.電動汽車動力電池健康狀態在線動態估算方法[J].電源技術，2021，45（02）：177-180，235.