我國新能源汽車發(fā)展與動力電池綜合測試技術(shù)

楊鑄鑫

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

我國是一個可持續(xù)發(fā)展的大國，每一個行業(yè)都在提倡節(jié)省能源的這個新的理念，因此，新能源汽車成為節(jié)能發(fā)展新趨勢。目前，國內(nèi)對新能源汽車的研究較為深入，在新能源汽車投入使用的過程中，有效地減少了汽車尾氣排放造成的空氣污染，為我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高做出了貢獻(xiàn)。本文介紹了新能源汽車及其動力電池綜合測試技術(shù)的發(fā)展，并對后續(xù)發(fā)展和電池性能測試技術(shù)要點進(jìn)行了探討。

目前自然環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，而且能源危機(jī)日益突顯。中國作為全球的第二大能源消費(fèi)國，油氣資源緊缺、環(huán)境污染相對嚴(yán)重，這種問題已成為我國發(fā)展新能源汽車最重要的需求和驅(qū)動力。節(jié)能、低碳、綠色成為發(fā)展新能源汽車的基本標(biāo)準(zhǔn)。單從技術(shù)發(fā)展趨勢和需求進(jìn)行分析，新能源汽車也是中國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的必然選擇。在政府各項規(guī)劃和政策的推動下，我國的新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展起來。我國在動力電池、電力系統(tǒng)、電池組等主要的技術(shù)領(lǐng)域上都得到了迅速發(fā)展。其中相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施也在逐漸完善，舉世矚目。但是，新能源汽車在中國的宣傳仍然不夠廣泛，這是什么原因造成的？其實質(zhì)性的原因還是由于能源以及其驅(qū)動的系統(tǒng)比較復(fù)雜，其動力電池以及其他系統(tǒng)存在著很多技術(shù)上的不完善，對于新能源電池固定等比較重要的問題研究不夠充分。因此，我國現(xiàn)代的控制理論為了解決這一問題，對于其能源驅(qū)動系統(tǒng)的大多問題進(jìn)行了一一的梳理。本篇文章主要對于新能源汽車的電池管理問題以及對于其控制系統(tǒng)如何進(jìn)行優(yōu)化等問題進(jìn)行研究，并對于現(xiàn)代控制理論的技術(shù)方法在新能源汽車的應(yīng)用方面作了進(jìn)一步的闡明，最后指出在新能源汽車發(fā)展這一過程中所出現(xiàn)的新問題新挑戰(zhàn)。

1 動力電池的分類及其現(xiàn)狀

1.1 鉛酸電池

它是電動汽車中使用最寬泛的電池。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計資料顯示，鉛酸蓄電池占已生產(chǎn)電動車的90%。這主要是由于它具有開發(fā)歷史長、技術(shù)好、應(yīng)用時間長等優(yōu)勢，可是相對而言，鉛酸電池的能量比較低一些，只有40W·h/kg左右。而且快充技術(shù)不成熟（一般要慢充8h以上），污染效果比較嚴(yán)重。

鉛酸電池是一個多世紀(jì)以前就出現(xiàn)的電池技術(shù)。它的技術(shù)比較落后、性能差，還會對環(huán)境造成一定程度的污染。我國電池技術(shù)長期處于一種快速發(fā)展的階段，就目前而言應(yīng)該對其進(jìn)行徹底的淘汰。根據(jù)實際情況顯示，在電動汽車和小型電動汽車領(lǐng)域，鉛酸電池占有非常大的市場份額。雖然它們有許多不足之處，但已被各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。此外，鉛酸電池還有一個明顯的優(yōu)勢，就是可以回收并被再次利用。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是一種高容量比、高能量比的動力電池，其放電性能比較良好，而且在電動工具方面應(yīng)用的比較廣。但現(xiàn)階段，很多廠商已經(jīng)不再使用鎳氫電池作為汽車能源，其失去了新能源汽車的特定市場。目前，MH-Ni電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域為混合型的動力汽車，但是它的性能指標(biāo)并不能達(dá)到目前純電動汽車的需要。該電動汽車可以行駛的距離高達(dá)兩百公里以上，是鎳氫電池所配置電動車公里數(shù)的十倍還要多。盡管燃料電池的功效性能優(yōu)良，但是其開發(fā)技術(shù)比較困難。

1.3 鋰離子電池

截至目前，高聚物Alpine-鋰離子電池在市場上的應(yīng)用占有很大的比重。聚合物不同，組成電池的性能均不同，整體性能具有可比性。對于市場上的電動汽車，廠家會根據(jù)不同的需求選擇聚合物電池。充電時間比較短，大約3h。工作電壓可達(dá)4V，安全性較好。然而，因為鋰離子電池的成本比較高，加之其充放電的性能比較差，這對于其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用有一定的限制作用。

1.4 燃料電池

燃料電池作為新能源電池中的一種，其可以將燃料中所儲存的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。雖然在電化學(xué)反應(yīng)的過程中需要氧氣的參與，但是最終產(chǎn)生的有害氣體并不多。因此，燃料電池在環(huán)境保護(hù)方面占據(jù)很大的優(yōu)勢。另外，燃料電池沒有冗余的機(jī)械傳動部件和結(jié)構(gòu)，所以能量的損耗較低。

燃料電池的缺點也十分明顯。首先，燃料電池的燃料種類比較單一，各種燃料都需要進(jìn)行重整，直至轉(zhuǎn)變?yōu)闅渲蟛拍芄┙o使用。氫的儲備、運(yùn)輸以及重整對安全性的要求都很高。另外，對燃料電池的密封性要求也很高，氫氣的泄露不僅會導(dǎo)致工作效率的降低，還可能引發(fā)火災(zāi)等事故。

1.5 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。能量的傳遞主要通過鈉離子的流動進(jìn)行，所以其可以做到對環(huán)境的零污染。鈉硫蓄電池的蓄能量遠(yuǎn)高于其他電池，所以電池的體積就能縮小進(jìn)而減輕汽車的自重。如此一來，電池的能量就可以用來提升汽車的負(fù)載能力。

鈉硫蓄電池的缺點在于安全性較差。電池在使用過程中是需加熱的，但是其原材料屬于易燃材料。一旦加熱的溫度沒有控制好，電池將會出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。使用真空絕緣技術(shù)能夠有效避免加熱超過標(biāo)準(zhǔn)溫度的現(xiàn)象。

2 國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展

我國新能源汽車是在相關(guān)政策要求之下應(yīng)運(yùn)而生，得到國家大力支持。由于各種政策以及資源的投入與實施，新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐漸崛起，各個廠商紛紛發(fā)現(xiàn)了新能源汽車的商機(jī)，因此大量進(jìn)行投資。在近幾年的投資之中，新能源汽車的發(fā)展領(lǐng)域越來越寬泛并且發(fā)展的前景也越來越令人期待。但是在發(fā)展的同時也面臨著許多問題，比如，由于我國對于新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)還沒有明確的結(jié)果，所以在發(fā)展的過程里面還是有很多的不確定性，不能促進(jìn)新能源汽車這一整體產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。還有一點是新能源汽車的安全問題，現(xiàn)在這一問題已經(jīng)成為全世界矚目的焦點，每每新能源汽車發(fā)生交通安全事故時，這一事件就會被放大，從而會引起社會上輿論的探討以及對于新能源汽車安全性能的懷疑。

由于我國現(xiàn)行的一些政策措施都比較傾向于支持新能源汽車，因此，促進(jìn)了新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。由于新能源汽車發(fā)展遇到的問題，暴露出我們的產(chǎn)業(yè)鏈還是沒有那么的完善，所以很多投資者還是不敢投入太多的資金在新能源汽車上面。因此，為了使得新能源汽車得到長足的發(fā)展，我們需要規(guī)劃好新能源汽車一個具體的目標(biāo)，政府方面也應(yīng)該具體提出幾項措施來保障新能源汽車的發(fā)展。在動力系統(tǒng)問題上，還需要大量的科學(xué)技術(shù)人員加快速度對新能源汽車的改進(jìn)方面進(jìn)行研究。這些工作都離不開社會資源的投入。

3 動力電池綜合測試技術(shù)

在新能源汽車動力電池測試系統(tǒng)的設(shè)計中，動力電池組的測試應(yīng)包括雙向直流電源、動力電池組和BMS（電池組管理系統(tǒng)）信息分析卡三個方面。在對新能源汽車進(jìn)行檢修時，常溫及高溫的放電容量不會有任何故障發(fā)生，而且還能夠有比較良好的可靠性能和穩(wěn)定性能。容易產(chǎn)生問題、發(fā)生故障的是低溫放電容量。

在低溫環(huán)境下，受電池材料的影響，其活性降低，導(dǎo)致了一系列載流問題，產(chǎn)生電流極化現(xiàn)象。因此，在實際檢測中，需要嚴(yán)格控制其溫度，控制單體電池容量的溫度為-20℃以下，還要比額定值的70%要高。與低溫放電的性能曲線相結(jié)合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)實時監(jiān)控的新能源汽車在溫度比較低的條件下，其放電容量需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的額定值，而且需要將其控制在允許的范圍之內(nèi)，從而進(jìn)一步提高電池的檢修水平。要增強(qiáng)動力電池測試系統(tǒng)的現(xiàn)實目的及其意義，還必須對于不同的測試內(nèi)容進(jìn)行比較細(xì)致的工作，盡量提出多方面多角度的方案政策，提出自己的想法與見解。就當(dāng)前而言，在研究的過程之中比較通用的細(xì)分準(zhǔn)則有：實現(xiàn)雙重測試系統(tǒng)；對于復(fù)雜的工況進(jìn)行編輯與實現(xiàn)等。

在選擇雙向直流電源時，要盡可能選擇精度高、動態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)的電源，并在放電過程中及時將電池的放電能量信息反饋給電網(wǎng)。在選用CAN卡進(jìn)行總線數(shù)據(jù)傳輸和分析時，需要有隔離保護(hù)裝置，以保證地面環(huán)流對計算機(jī)造成的破壞。其電路結(jié)構(gòu)長時間工作，因此其電路板結(jié)構(gòu)最好能夠采用表面貼裝等技術(shù)保證其工作時間滿足要求。該接口還能夠支持一些配置軟件。在動力電池組的組合中，可以采用不同的串并聯(lián)方式來滿足電池的需要?？焖俪潆姾痛蠊β孰姵乜梢圆捎孟却?lián)后并聯(lián)的方式，但會增加BMS的監(jiān)控通道。并串聯(lián)模式適用于低功耗的慢充電系統(tǒng)。兩者混聯(lián)可以在電池容量低但對電池組容量需求大的情況下使用。設(shè)計師要根據(jù)實際情況做出正確的選擇。

在測試新能源汽車的電池時，我們通常會測試動力電池組和電池芯。從試驗項目來看，一般分為電氣性能試驗和濫用安全試驗。對于動力電池組的電氣性能測試，一般通過充放電實驗采集電流和電壓數(shù)據(jù)，并與電池單體的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行比較，得出動力電池的電壓變化曲線與電池單體的電壓變化曲線之間的關(guān)系。單體電池的電氣性能測試可以有效地探索不同循環(huán)條件下直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻的變化趨勢。測試過程需要重復(fù)多次，該試驗有助于研究電池單體的壽命特性試驗。

4 鋰離子動力電池模擬的研究

電動汽車的主要能源來源于動力電池，可以對整個電動汽車的電池系統(tǒng)模型進(jìn)行滿足，可以對電池的使用情況以及其使用的區(qū)間情況進(jìn)行合理的預(yù)測與工作。對于電池進(jìn)行模擬可以對能量的管理問題以及其仿真的模擬性能方面進(jìn)行驗證，可以使得其成本問題得到解決。還可以對電池模型進(jìn)行比較準(zhǔn)確的精確驗證，有利于實時對電池的情況進(jìn)行驗證，從而可以達(dá)到比較有效果的均衡性以及準(zhǔn)確性。因為動力電池是一個多種原因耦合而來的電池，它的工作性能比較繁復(fù)，所以在新能源汽車上建立一個動力電池的模擬系統(tǒng)比較困難。

4.1 鋰離子電池的電壓性能

動力電池的電壓環(huán)境不同，其概念也不盡相同。其中對于電池的模型建立主要是對于動力電池的額定電壓、工作電壓以及開路的電壓進(jìn)行建立。額定電壓是指在額定的工作狀態(tài)之下，動力電池工作的電壓。其中鋰離子電池的種類不同，其額定電壓也有一定的區(qū)別。根據(jù)相關(guān)的研究可知，錳酸鋰離子的額定電壓比磷酸鐵鋰離子的額定電壓要高些。工作電壓指的是所在的負(fù)載環(huán)境以及條件差異，其中動力電池指的是實際的工作電壓，也稱其為端電壓，與外部的頻率、大小都有緊密的關(guān)系。

根據(jù)目前的研究狀況，動力電池指的是在充放電結(jié)束之后，由于很長時間會發(fā)生靜止，因而其所測的電池就是其動力電池的開路電壓。在一般情況下，電池在一定的充電和放電之后其電勢會有不同。這是由于其電池自身的化學(xué)特性所導(dǎo)致的，鋰離子電池的充電和放電過程之中主要是鋰離子電池在正極和負(fù)極的褪去以及鑲嵌進(jìn)去的一個步驟，鋰離子電池出現(xiàn)此狀況時會引發(fā)正極材料中晶體出現(xiàn)很大程度狀況相變，因此為了使得這種相變得到適應(yīng)，晶體之間就會產(chǎn)生一定的力，通過散發(fā)一定的能量將其存貯在晶體里。但是因為鋰離子電池擴(kuò)散系數(shù)與遷移率在充電與放電的過程之中都存在著很大的不同，所以，在充電放電這一過程之中，力的大小也會有不同之處，因此會導(dǎo)致其滯回電壓的產(chǎn)生。

4.2 鋰離子電池的容量特征

電池的容量一般是指在充電和放電過程之中動力電池在實際情況下可以充電和放電的電荷數(shù)目。其中，電壓的定義與其大同小異，環(huán)境不同，它的定義就有所不同，其中主要有理論上的容量，還有實際操作的容量以及額定容量等等。理論容量指的是其最高的容量值，這是依據(jù)法拉第定律得出的，一般是由動力電池化學(xué)成分之中的活性物質(zhì)所決定的。額定的容量主要是指其所釋放出來的容量，這是在一定的額定條件下發(fā)生的。標(biāo)稱容量是指在電池銘牌上廠家所標(biāo)注的參數(shù)，它一般是一個范圍。因為動力電池的實際情況與操作過程之中的環(huán)境等因素有很大的關(guān)系，所以我們一般情況下，將標(biāo)稱的容量作為其表征的參數(shù)。動力電池是由很多因素耦合，而且其工作特性是比較復(fù)雜的研究對象。其極化和老化現(xiàn)象是很復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)過程。在電動汽車的實際操作過程之中，動力電池的外激勵狀態(tài)切換頻繁，激勵變換極為劇烈，因此很難對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行分析，建立更為精確的動力電池化學(xué)模型。由于其直觀、簡單的特點，動力電池的外部特性模型只需要參考動力電池的外部電壓特性，不用考慮電池之中比較復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)，所以其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力電池管理的研究領(lǐng)域之中。

5 結(jié)束語

文章具體闡述了新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢。為了滿足公眾對新能源汽車的需求，我們不僅需要投入資源，更需要解決動力電池組的性能和壽命問題，做好動力電池組的綜合測試技術(shù)。我們從新能源汽車檢測等方面分析了電池電機(jī)電控的實際運(yùn)行情況，對于電池系統(tǒng)的檢測有相對比較完善的系統(tǒng)，而且還從新能源汽車的現(xiàn)實應(yīng)用情況出發(fā)，分析了其主要的運(yùn)行情況，從而實現(xiàn)新能源汽車能夠廣泛發(fā)展的最終目的。