純電動(dòng)汽車電池綜合分析系統(tǒng)

劉偉韜 姬文超 代怡 李倩 張倍愷

摘 要：本文突破傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)僅限制于在溫度方面的分析，給出了一種簡單有效的電池綜合分析系統(tǒng)，涵蓋電池?zé)峁芾?，電池電流、電壓、充放電率、電池老化程度等方面的管理。該系統(tǒng)易于研究電池的最優(yōu)運(yùn)行環(huán)境，最優(yōu)充電電量，最佳運(yùn)行時(shí)間及故障分析。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車電池；電池分析系統(tǒng)；電池?zé)峁芾?/p>

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著市場上新能源電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展，越來越多的企業(yè)家、政府也將目光轉(zhuǎn)向了潛力巨大的電動(dòng)汽車市場。這也是減緩燃油污染的重要方向，被人們視為環(huán)保節(jié)能的寄托。而隨著第一批次汽車上市已達(dá)5年，普通電動(dòng)汽車電池臨近壽命年限，2018年國內(nèi)市場將迎來第一波電池報(bào)廢狂潮，多達(dá)6.39萬噸的廢舊電池將進(jìn)入市場（網(wǎng)易汽車網(wǎng)）。而作為電動(dòng)汽車“心臟”的電池報(bào)廢，更換意味著需要花費(fèi)整車1/3～1/2的價(jià)格，這無疑大幅增加了新能源用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而報(bào)廢電池的污染問題也將挑戰(zhàn)純電動(dòng)汽車的新能源角色席位。因此新能源電池的短壽命缺陷無疑是急需解決的問題，本文基于這個(gè)目的，根據(jù)現(xiàn)有裝置構(gòu)建了一個(gè)電池離線綜合分析系統(tǒng)，用于在線分析電池狀態(tài)，規(guī)避電池故障；離線分析電池最優(yōu)運(yùn)行環(huán)境，提高電池性能與壽命。

1 運(yùn)行環(huán)境分析

從電池的運(yùn)行溫度分析，我們構(gòu)建了如圖1所示的系統(tǒng)裝置，電池組由40節(jié)磷酸鐵鋰電池搭建而成（模擬主流鋰電池電動(dòng)汽車），溫度傳感器由YC105 14路熱電阻采集模塊搭配14路PT1000溫度采集器，上位機(jī)為常用工業(yè)一體機(jī)，攜帶方便，操作簡單。測溫點(diǎn)選取加熱板、電池組中部、出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口、加熱面、冷卻面等典型位置。溫度信號(hào)由變送器傳入上位機(jī)中的MCGS組態(tài)頁面及數(shù)據(jù)庫?？販胤矫?，系統(tǒng)外圍由良好的保溫材料包裝，與外界實(shí)現(xiàn)熱隔絕，有利于溫度控制；降溫和升溫設(shè)備合理分布在電池組兩面，降溫由效率更高的半導(dǎo)體制冷代替空冷，通過控制可精確調(diào)節(jié)溫度在0.5℃內(nèi)變化。升溫采用普通加熱棒搭配水循環(huán)裝置，既經(jīng)濟(jì)方便，又能滿足溫度緩慢呈線性變化，精確調(diào)控在0.5℃內(nèi)變化。測溫系統(tǒng)足夠采集-20℃～40℃（符合車輛正常行駛環(huán)境溫度）內(nèi)200個(gè)以上溫度點(diǎn)，數(shù)據(jù)有效，具有分析價(jià)值。

2 主要性能參數(shù)分析

采集電池的主要性能參數(shù)，包括實(shí)際容量、電壓、電流、充放電率、電池壽命等。如圖2所示，電壓采集設(shè)備采用PD3058-PLC32-V32路電壓輸出模塊，可精確采集所有單節(jié)電池電壓，實(shí)時(shí)收集每點(diǎn)電壓，精度為0.01V。電流采用8路直流功率采集模塊，可精確采集電池組干路電流，精度為0.001A。電池容量可根據(jù)放電干路電流×放電時(shí)間得出，充放電率可由充放電時(shí)間得出。我們主要是計(jì)算鋰電池的循環(huán)壽命，在規(guī)定的充放電循環(huán)試驗(yàn)制度，包括在充放電速率、充放電深度和環(huán)境溫度范圍等條件下，測出電池的理論壽命，從而估算出電池的實(shí)際壽命。

3 SOC估算

SOC（電池剩余電量State of charge），本系統(tǒng)采用電池積分法和開路電壓法相結(jié)合，可根據(jù)不同電池組的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行SOC估算。非運(yùn)行狀態(tài)下采用開路電壓法，由開路電壓（OCV： Open Circuit Voltage）與電池內(nèi)部離子濃度之間變化關(guān)系，間接擬合OCV和SOC之間的關(guān)系曲線，再根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)測得的電壓值查取相應(yīng)的電池SOC；運(yùn)行狀態(tài)下采用電池積分法，通過電池運(yùn)行時(shí)累計(jì)充電和放電的電量來對電池進(jìn)行SOC估算，并且根據(jù)放電率和電池溫度進(jìn)行補(bǔ)償。這兩種方法比較適合于本系統(tǒng)，能夠支持大部分電池SOC估算。

4 安全機(jī)制

（1）連接失效：每隔2s上位機(jī)向各個(gè)收集器發(fā)送采集信號(hào)，超過兩次未響應(yīng)將進(jìn)行問題提示。

（2）熱失控報(bào)警：當(dāng)電池組在適宜溫度（-20℃～40℃）外，及短時(shí)間升溫過快或降溫過快時(shí)將進(jìn)行報(bào)警。

（3）過流報(bào)警：當(dāng)有過流現(xiàn)象時(shí)立即切斷干路電流，停止供電并且報(bào)警（電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)除外）。

5 分析方向

運(yùn)行環(huán)境溫度：控溫裝置改變電池組的溫度，收集器收集相關(guān)電壓、電流數(shù)據(jù)，分析電池的充放電率、電池?fù)p耗程度等，總結(jié)出電池組性能隨溫度變化規(guī)律，得出最優(yōu)運(yùn)行環(huán)境溫度。

最優(yōu)充放電電量：調(diào)節(jié)電池的SOC，對電池充電速率、損耗程度進(jìn)行觀察，總結(jié)出規(guī)律得出最優(yōu)充放電電量。

最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間：調(diào)節(jié)電池的SOC，將電池連接電動(dòng)裝備，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，對電動(dòng)裝備運(yùn)行狀態(tài)、電池?fù)p耗程度進(jìn)行觀察，得出規(guī)律總結(jié)出最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間。

故障分析：將個(gè)體電動(dòng)汽車電池裝入系統(tǒng)，對電池進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)及單節(jié)電池電流電壓測試，分析出電池存在的問題。

結(jié)語

該系統(tǒng)具備電池?zé)峁芾矸治觯饕阅軈?shù)分析功能，對研究電池最佳運(yùn)行環(huán)境，充放電時(shí)機(jī)，最佳運(yùn)行時(shí)間范圍具有重大意義。還可用于個(gè)體戶分析個(gè)人電動(dòng)汽車電池組狀態(tài)，查找出一些可能存在的因?yàn)閭€(gè)別電池導(dǎo)致整體電池性能下降的問題。但該系統(tǒng)仍僅限于提高電池性能，小幅增加使用壽命。要徹底解決純電動(dòng)汽車電池壽命低，造價(jià)高等問題，對于電動(dòng)汽車電池發(fā)展筆者有以下總結(jié)和猜想：

（1）電池衰減到總量的60%～80%時(shí)，動(dòng)力電池就需被更換，所以如果合理的回收與利用被更換的電池組，將能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益，彌補(bǔ)剩余價(jià)值損失。

（2）電池組中的貴金屬鈷、銅等貴金屬的回收能產(chǎn)生有效價(jià)值并降低電池的環(huán)境污染。

（3）開發(fā)出針對動(dòng)力電池更換頻繁問題的新型電池，僅需對電池進(jìn)行局部維修更換不用整組報(bào)廢。

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