近期，電動(dòng)汽車(chē)起火事故頻發(fā)，電池安全再次成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。要確保電池安全，除了電池本身以外，電池管理也至關(guān)重要。在近日舉行的2019中國(guó)(西安)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會(huì)上，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師徐俊做題為“新能源汽車(chē)電池管理關(guān)鍵技術(shù)分析”的精彩演講。

　　一、新能源汽車(chē)電池管理必要性分析徐俊表示，目前新能源汽車(chē)發(fā)展迅猛，但依然面臨著續(xù)駛里程、安全性、壽命、成本等方面的瓶頸。里程焦慮體現(xiàn)在多個(gè)方面，一是電動(dòng)汽車(chē)總里程不能滿足需求，二是剩余電量不能準(zhǔn)確提供。

　　要突破上述瓶頸，電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)面臨“四高”要求：高比能、高安全、高壽命、高狀態(tài)精度。如何在現(xiàn)有電池基礎(chǔ)上提高“四高”指標(biāo)?這就是電池管理要做的工作。

　　電池管理系統(tǒng)主要功能分為四部分：一是采集，主要功能包括電壓、溫度、電流等信息的采集;二是輸出，即能否精確推算出剩余里程;三是均衡，即大量電池串在一起如何讓性能更好地發(fā)揮;四是熱管理，即保證電池工作在合適溫度具有更好性能。

　　二、動(dòng)力電池狀態(tài)估計(jì)與故障診斷分析

　　動(dòng)力電池狀態(tài)描述指標(biāo)有SOC估計(jì)、SOH估計(jì)、SOP估計(jì)、SOE估計(jì)等。徐俊指出，電池狀態(tài)不能通過(guò)傳感器直接測(cè)量獲得，且電池系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性和時(shí)變性，同時(shí)復(fù)雜多變的使用環(huán)境及使用工況增加了狀態(tài)估計(jì)的難度。

　　常見(jiàn)的SOC估計(jì)方法有安時(shí)積分法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法、基于模型的方法等。據(jù)徐俊介紹，安時(shí)積分法的主要問(wèn)題是初始SOC很難測(cè)量，目前的解決方案是安時(shí)積分法加校正，這種方法比較常用。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法有很多，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，這種方法需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型及高性能計(jì)算，且不具備通用性，因此在實(shí)際中運(yùn)用較少。基于模型的方法存在的主要問(wèn)題是，隨著電池衰減，模型隨時(shí)變化，造成估算不準(zhǔn)確，該方法獲得大量的研究，已有部分投入實(shí)際使用。

　　常見(jiàn)的SOH估算方法有：直接測(cè)量法、在線估計(jì)、間接法等。直接測(cè)量法是指直接測(cè)量電池的特征參數(shù)以評(píng)價(jià)電池SOH，主要包括容量/能量測(cè)量、阻抗測(cè)量法，通常在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。在線估計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是SOC的準(zhǔn)確性問(wèn)題。間接法是利用其他量跟實(shí)際容量的關(guān)系獲得。

　　徐俊表示，電池系統(tǒng)復(fù)雜程度高，且高比能量高安全鋰電池安全性能尚處瓶頸，需在認(rèn)清電池系統(tǒng)故障引發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)、提前預(yù)警，提高系統(tǒng)安全性。

　　三、動(dòng)力電池均衡結(jié)構(gòu)與策略分析

　　均衡主要是解決電池不一致的問(wèn)題，而電池不一致是由多種原因?qū)е碌模ㄉa(chǎn)制造環(huán)節(jié)造成的不一致和使用過(guò)程造成的不一致等。電池不一致容易造成過(guò)充電或過(guò)放電，進(jìn)而有發(fā)生熱失控甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

　　徐俊表示，均衡和重構(gòu)是解決電池不一致性的有效方法。均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)電池均衡的硬件基礎(chǔ)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是電池均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)，為后續(xù)的均衡控制策略的制定及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　均衡分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種方式。被動(dòng)均衡是將電池中多余的能量通過(guò)電阻以熱能的形式耗散，直到所有電池狀態(tài)達(dá)到一致。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，缺點(diǎn)是均衡效率較低、能量消耗嚴(yán)重。

　　一致性控制策略有基于電壓、基于SOC、基于容量等方式。其中，基于電壓的方式優(yōu)點(diǎn)是方便、直觀、簡(jiǎn)單、廣泛使用，缺點(diǎn)是電池端電壓差距較小，均衡效果較差;基于SOC的方式可有有效避免過(guò)度均衡，但它對(duì)控制器設(shè)計(jì)要求較高，使用較為困難;基于容量的方式可獲得最大的使用容量，但是計(jì)算復(fù)雜，使用難度大。

　　四、動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱管理分析

　　徐俊指出，電池需要工作在非常合適的溫度范圍內(nèi)，溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響電池的使用特性。電池在高溫環(huán)境下工作會(huì)使電池溫度過(guò)高而導(dǎo)致熱失控，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺姵匕l(fā)生爆炸。溫度太低時(shí)，電池所能釋放和充進(jìn)的電量非常少，在低溫使用情況下電池會(huì)有內(nèi)短路，而內(nèi)短路有可能會(huì)產(chǎn)生熱失控。

　　熱管理目的是保障電池安全，使電池能夠發(fā)揮更好的使用效果。熱管理的主要作用有：

　　(1)當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)進(jìn)行有效換熱，防止熱失控事故;

　　(2)當(dāng)電池溫度較低時(shí)進(jìn)行溫度預(yù)熱，確保充放電性能;

　　(3)減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)形成。因此，電池?zé)峁芾韺?duì)提高汽車(chē)性能具有重要意義。

　　電池?zé)峁芾矸椒ㄓ酗L(fēng)冷、液冷、相變材料、熱管等。徐俊坦言，在新能源車(chē)有大量補(bǔ)貼的情況下，目前市面上很多動(dòng)力電池沒(méi)有熱管理。他認(rèn)為，補(bǔ)貼退坡以后，大家都用產(chǎn)品說(shuō)話，誰(shuí)的技術(shù)更好，誰(shuí)就能獲得更大的市場(chǎng)，實(shí)際使用者對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)可度就越高。

　　風(fēng)冷，即空氣冷卻，冷卻介質(zhì)為空氣。徐俊表示，目前在這方面比較有名的是普銳斯風(fēng)冷系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)有些廠商所謂風(fēng)冷就是加幾個(gè)風(fēng)扇，效果不是特別好。

　　液冷形式在國(guó)內(nèi)逐漸得到認(rèn)可，越來(lái)越多的廠家推出的產(chǎn)品在使用液冷形式。

　　相變材料冷卻是把電池組直接浸在相變材料(PCM)中，也可以采用夾套式結(jié)構(gòu)，在單體電池外部套一層環(huán)形PCM，形成一個(gè)稍大的單體電池，進(jìn)而再組成電池組。在電池進(jìn)行放電時(shí)，系統(tǒng)把熱量以相變潛熱的形式儲(chǔ)存在PCM中，從而吸收電池放出的熱量使電池溫度迅速降低。

　　熱管冷卻采用密封結(jié)構(gòu)的空心管，利用蒸發(fā)相變來(lái)傳熱。熱管冷卻的主要優(yōu)勢(shì)是可以瞬間把熱量從一邊傳導(dǎo)到另一邊。據(jù)徐俊介紹，熱管在消費(fèi)電子產(chǎn)品已有使用，在電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用還比較少。

　　電池?zé)峁芾沓死鋮s還包括低溫加熱。低溫加熱方法有外部加熱法和內(nèi)部加熱法。外部加熱法包括空氣/液體加熱法、膜加熱法、其他加熱法等，內(nèi)部加熱法包括交流電加熱法、內(nèi)部自加熱法等。