新能源汽车电池管理关键技术是什么

       近期,电动汽车起火事故频发,电池安全再次成为行业关注的焦点。要确保电池安全,除了电池本身以外,电池管理也至关重要。在近日举行的2019中国(西安)新能源汽车产业生态大会上,西安交通大学机械学院副教授、博士生导师徐俊做题为“新能源汽车电池管理关键技术分析”的精彩演讲。

一、新能源汽车电池管理必要性分析

       徐俊表示,目前新能源汽车发展迅猛,但依然面临着续驶里程、安全性、寿命、成本等方面的瓶颈。里程焦虑体现在多个方面,一是电动汽车总里程不能满足需求,二是剩余电量不能准确提供。

       要突破上述瓶颈,电动汽车电池系统面临“四高”要求:高比能、高安全、高寿命、高状态精度。如何在现有电池基础上提高“四高”指标?这就是电池管理要做的工作。

       电池管理系统主要功能分为四部分:一是采集,主要功能包括电压、温度、电流等信息的采集;二是输出,即能否精确推算出剩余里程;三是均衡,即大量电池串在一起如何让性能更好地发挥;四是热管理,即保证电池工作在合适温度具有更好性能。

二、动力电池状态估计与故障诊断分析

       动力电池状态描述指标有SOC估计、SOH估计、SOP估计、SOE估计等。徐俊指出,电池状态不能通过传感器直接测量获得,且电池系统具有很强的非线性和时变性,同时复杂多变的使用环境及使用工况增加了状态估计的难度。

       常见的SOC估计方法有安时积分法、基于数据驱动的方法、基于模型的方法等。据徐俊介绍,安时积分法的主要问题是初始SOC很难测量,目前的解决方案是安时积分法加校正,这种方法比较常用。基于数据驱动的方法有很多,比如神经网络模型等,这种方法需大量实验数据训练模型及高性能计算,且不具备通用性,因此在实际中运用较少。基于模型的方法存在的主要问题是,随着电池衰减,模型随时变化,造成估算不准确,该方法获得大量的研究,已有部分投入实际使用。

       常见的SOH估算方法有:直接测量法、在线估计、间接法等。直接测量法是指直接测量电池的特征参数以评价电池SOH,主要包括容量/能量测量、阻抗测量法,通常在实验室条件下进行。在线估计的关键问题是SOC的准确性问题。间接法是利用其他量跟实际容量的关系获得。

       徐俊表示,电池系统复杂程度高,且高比能量高安全锂电池安全性能尚处瓶颈,需在认清电池系统故障引发机制的基础上,实现故障精准、提前预警,提高系统安全性。

三、动力电池均衡结构与策略分析

       均衡主要是解决电池不一致的问题,而电池不一致是由多种原因导致的,包括生产制造环节造成的不一致和使用过程造成的不一致等。电池不一致容易造成过充电或过放电,进而有发生热失控甚至爆炸的风险。

       徐俊表示,均衡和重构是解决电池不一致性的有效方法。均衡拓扑结构是实现电池均衡的硬件基础,拓扑结构的设计是电池均衡系统设计的最初环节,为后续的均衡控制策略的制定及实验平台的搭建提供设计基础。

       均衡分为被动均衡和主动均衡两种方式。被动均衡是将电池中多余的能量通过电阻以热能的形式耗散,直到所有电池状态达到一致。其优点是结构简单、成本低,缺点是均衡效率较低、能量消耗严重。

       一致性控制策略有基于电压、基于SOC、基于容量等方式。其中,基于电压的方式优点是方便、直观、简单、广泛使用,缺点是电池端电压差距较小,均衡效果较差;基于SOC的方式可有有效避免过度均衡,但它对控制器设计要求较高,使用较为困难;基于容量的方式可获得最大的使用容量,但是计算复杂,使用难度大。

四、动力电池结构设计与热管理分析

       徐俊指出,电池需要工作在非常合适的温度范围内,温度过高或过低,都会影响电池的使用特性。电池在高温环境下工作会使电池温度过高而导致热失控,严重时甚至会使电池发生爆炸。温度太低时,电池所能释放和充进的电量非常少,在低温使用情况下电池会有内短路,而内短路有可能会产生热失控。

       热管理目的是保障电池安全,使电池能够发挥更好的使用效果。热管理的主要作用有:

       (1)当电池温度过高时进行有效换热,防止热失控事故;

       (2)当电池温度较低时进行温度预热,确保充放电性能;

       (3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区形成。因此,电池热管理对提高汽车性能具有重要意义。

       电池热管理方法有风冷、液冷、相变材料、热管等。徐俊坦言,在新能源车有大量补贴的情况下,目前市面上很多动力电池没有热管理。他认为,补贴退坡以后,大家都用产品说话,谁的技术更好,谁就能获得更大的市场,实际使用者对产品的认可度就越高。

       风冷,即空气冷却,冷却介质为空气。徐俊表示,目前在这方面比较有名的是普锐斯风冷系统,国内有些厂商所谓风冷就是加几个风扇,效果不是特别好。

       液冷形式在国内逐渐得到认可,越来越多的厂家推出的产品在使用液冷形式。

       相变材料冷却是把电池组直接浸在相变材料(PCM)中,也可以采用夹套式结构,在单体电池外部套一层环形PCM,形成一个稍大的单体电池,进而再组成电池组。在电池进行放电时,系统把热量以相变潜热的形式储存在PCM中,从而吸收电池放出的热量使电池温度迅速降低。

       热管冷却采用密封结构的空心管,利用蒸发相变来传热。热管冷却的主要优势是可以瞬间把热量从一边传导到另一边。据徐俊介绍,热管在消费电子产品已有使用,在电动汽车电池管理系统中应用还比较少。

       电池热管理除了冷却还包括低温加热。低温加热方法有外部加热法和内部加热法。外部加热法包括空气/液体加热法、膜加热法、其他加热法等,内部加热法包括交流电加热法、内部自加热法等。

source:http://www.juda.cn/news/80545.html

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