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谈电动汽车动力电池系统

发表时间：2020/9/28 来源：《基层建设》2020年第17期作者：张磊

[导读] 摘要：电动汽车的市场占有量会越来越大，而电动汽车动力电池的性能对车辆的续航里程、行驶动力性能起着决定性的作用。无论是汽车类专业的学生还是电动汽车车主，都应该对电动汽车电池系统有一定的了解。

        安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230600
        摘要：电动汽车的市场占有量会越来越大，而电动汽车动力电池的性能对车辆的续航里程、行驶动力性能起着决定性的作用。无论是汽车类专业的学生还是电动汽车车主，都应该对电动汽车电池系统有一定的了解。文章从动力电池的特点、动力电池的类型、动力电池管理系统及动力电池常见故障等方面浅谈了电动汽车的动力电池系统。
        关键词：电动汽车；动力；电池系统
        1引言
        新能源汽车发展到当前阶段，动力电池系统应结合整车产品进行重新设计并根据未来车用动力电池的需求进行设计制造模式的升级，在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上同时下功夫，提高产品质量，降低规模化生产成本，提升产业竞争力。
        2常用的电动汽车动力电池的类型
        目前常用的汽车动力电池有镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池。镍氢是目前电动汽领域商用化的主流，很多混合动力汽车都用此类电池，比如丰田普锐斯。但镍氢电池依然存在一些不足，使其应用受到限制，比如电池的高温性能、储存性能、循环寿命、热管理等，都有待进一步提高。镍镉电池，是一种碱性电池，它的优点是可以快速充电，循环使用寿命较长，可达到2000多次。但由于有重金属镉，在使用时必须注重回收工作，以免对环境造成污染。锂离子电池，内部结构使用的锂化合物。锂离子电池体积小、能量高、质量轻，无污染。电动汽车上用的锂离子电池有锰酸锂电池，以日常的聆风车型为例；三元锂电池，最典型的应用是特斯拉的ModelS；磷酸铁锂电池，比亚迪生产的，比亚迪的电动汽车主要用这种电池。目前，磷酸铁锂电池和三元锂电池在国内外电动车上应用的最多。
        3电动汽车动力电池管理系统
        电动汽车上的动力电池一般称为电池包，是由很多块动力电池经串联和并联，组成多个动力电池组，然后再组装在一起形成电池包。纯电动汽车的动力电池容量较大，一般安装在车辆的下部。为了保证电动汽车的安全、保证电动汽车动力电池系统能够正常使用，动力电池的工作需要有动力电池管理系统，简称BMS，BMS具有各种警告和保护的功能，能够对电池包的各个电池组甚至单体电池进行电流、电压、容量等的数据采集；能够对电池的状态（SOC）进行估计；能够对充电过程和放电过程进行监控和管理；能够进行安全管理，防止电池过度充电或放电而导致热失控；能够对电池系统进行热管理，保证各个单体电池温度均衡。BMS还必须通过CAN总线等网络与车载设备和非车载设备进行信息通信和数据交换。BMS具有飞机上的“黑匣子”的功能，可以对动力电池的历史故障进行存储，有利于对故障的分析。BMS参与整车的检测工作，检测每一个单体电池的工作状态，并将检测数据告诉充电机，以保证充电的时候不过充、保证电池的性能。BMS有一个很重要的功能，就是对动力电池的均衡功能，如果某个单体电池的性能与其他单体电池有很大偏差，均衡功能起动，对电池性能进行均衡，保证系统的正常工作。BMS还能够与车辆检测仪器进行通信，以诊断故障，方便对车辆进行维修。
        4电动汽车动力电池的维修开关
        电动汽车的动力电池系统是高压电系统，触电是人民最担心的问题。为了保证电动汽车维修人员的安全，动力电池组安装有高压维修开关，当需要对动力电池系统进行开箱维修时，必须先拔下维修开关才能打开箱盖。
        5电动汽车动力电池系统常见故障
        5.1动力电池本身故障
        电动汽车动力电池本身的故障一方面是动力电池出厂时就存在的问题，比如动力电池各单体电池之间的不一致性问题，这有可能是电池生产技术的问题，也有可能是检测技术的不到位。另一方面是动力电池在使用过程中出现的故障，比如使用时导致的不一致性，还有使用过程中电池容量快速下降等。

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        5.2动力电池管理系统BMS故障
        动力电池管理系统BMS的故障主要有CAN-BUS的故障、电压故障、温度采集故障、绝缘故障、充电故障等。CAN-BUS出现故障，会导致动力电池管理系统BMS无法与车载设备和控制单元等进行信息通信，CAN-BUS故障可能是CAN-BUS的CAN-H或CAN-L线出现断路，亦或是对电源或搭铁短路，或者是控制单元的CAN控制器、收发器故障等。电压故障常见的是BMS无法对动力电池的电压进行采集，这类故障除了是电池本身损坏，很有可能是电压采集电路出现故障、比如电压采集电路的电源故障、采集端子故障或者采集线路保险故障等。温度采集一旦出现故障，会导致BMS无法准确采集到电池组或单体电池的温度，电池的冷却系统就会失去工作的依据，很容易导致动力电池系统过热。这类故障比较常见的原因是温度传感器损坏或温度传感器的连接线断路，从而无法检测动力电池温度。也有可能是BMS的温度采集电路出现故障，这就需要对模块进行维修或者更换。绝缘故障是指高压线路与车体、电压采集线与电池箱体等本应该绝缘的地方出现短路，从而导致漏电的发生。绝缘故障是非常危险的，要经常对线路插接器等进行检查、对动力电池箱体进行清理和干燥处理等。充电故障，比如BMS的预充电发生故障，导致这类故障的原因可能是预充继电器出现故障或者预充电电路出现故障等。
        5.3动力电池线路及连接件的故障
        动力电池是由很多电池串联和并联连接而成，如果在行驶过程中连接螺栓松动，电池间的电阻就会增大，电池内部损耗就会增加，从而影响动力电池的续航里程。比较极端的情况，有可能引起高温、产生电弧，甚至造成蓄电池着火等安全事件。另外，动力电池箱体与电动汽车的线路插接器在长时间使用后容易虚接、烧蚀、接触不良，这些故障都要尽早发现、尽早处理。
        6电池系统技术
        从商品化的锂离子动力电池系统角度看，关键核心技术包括电池成组技术（集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等）、电池管理系统（BMS）电磁兼容技术、信号的精确测量（如单体电压、电流等）技术、电池状态精确估计（如SOS、SOC、SOH、SOF等）、电池均衡控制技术等。而BMS及电池系统的其他关键核心部件包括传感器、控制器、执行器等部件基本上由汽车电子技术强国（德、日、美）垄断。国内目前开始在相关领域开展研究，也获得相应的成果。部分企业已成功开发智能电表（体积紧凑，集成了电流、电压、绝缘及电量测量等），可以替代国外电流、电压、绝缘传感器。电池成组技术方面，由于集成了电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等，技术复杂，目前国际汽车企业技术较为成熟。国内研究单位在BMS电磁兼容技术、信号的精确测量技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等方面开展了较为深入研究，电压测量精度达到0.5%，电流测量精达到0.5%，温度测量精度达到1℃，SOC估算精度达到5%。
        电池电管理关键技术研发包括综合电池电化学模型、电气安全设计、电池状态估计、均衡管理、故障诊断与标定以及充电管理等方面。电池热管理关键技术及系统研发需根据电池组的结构设计和电池产热计算分析，研究不同热管理技术的散热均温效果，得到成本低、工艺简单、安全可靠性强的电池热管理散热方案。根据实际应用场景选用风冷、液冷、热管制冷、半导体制冷和相变材料吸热等，电池结构轻量化需以电池系统及整车的相关结构为研究对象，考虑相互间的耦合特性，从结构设计优化与材料选型两个方面开展结构抗振、抗冲击和轻量化的集成优化设计关键技术研究工作。对零部件材料、结构设计、联接等设计方案进行优化，电池安全性方面需在电气安全、机械安全和热安全的基础上开展电池系统的安全性整体方案设计研究，针对电池系统开展故障诊断预测、热安全监测预警和防控关键技术。
        结语
        电动车已成为汽车行业的重点研究领域，也是我国战略性新兴产业。在电动汽车的研究中，能源供应技术可以说是行业发展的重要保障。目前，我国对该技术进行了一定的研究，取得了一定的成果。因此，有必要把握相关技术研究的未来方向，更好地开展相关技术研究。
        参考文献
        [1]赵阳.纯电动汽车动力电池系统的发展现状[J].新材料产业,2015（06）.
        [2]吴智强.基于移动互联网技术的电动汽车充电助手系统设计与实现[J].工业技术创新,2015（02）.