新能源汽车动力锂电池管理关键技术分析

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。在近日举办的2019我国（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。

电车资源整理徐俊演讲重要内容如下：

一、新能源汽车电池管理系统必要性分析

徐俊表示，目前新能源汽车发展迅猛，但依然面对着续驶里程、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供应。

要突破上述瓶颈，电动汽车电池系统面对“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？这就是电池管理系统要做的工作。

电池管理系统重要功能分为四部分：一是采集，重要功能包括电压、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、动力锂电池状态估计与故障诊断分析

动力锂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新增了状态估计的难度。

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，安时积分法的重要问题是初始SOC很难测量，目前的解决方法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重要问题是，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点参数以评价电池SOH，重要包括容量/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离子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、动力锂电池均衡结构与策略分析

均衡重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供应设计基础。

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的方式可有有效防止过度均衡，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、动力锂电池结构设计与热管理分析

徐俊指出，电池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，而内短路有可能会出现热失控。

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。热管理的重要用途有：（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锂电池没有热管理。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。热管冷却的重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。

徐俊：新能源汽车电池管理关键技术分析