我國新能源汽車發(fā)展與動(dòng)力電池綜合測試技術(shù)

楊鑄鑫

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

我國是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的大國，每一個(gè)行業(yè)都在提倡節(jié)省能源的這個(gè)新的理念，因此，新能源汽車成為節(jié)能發(fā)展新趨勢(shì)。目前，國內(nèi)對(duì)新能源汽車的研究較為深入，在新能源汽車投入使用的過程中，有效地減少了汽車尾氣排放造成的空氣污染，為我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高做出了貢獻(xiàn)。本文介紹了新能源汽車及其動(dòng)力電池綜合測試技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)后續(xù)發(fā)展和電池性能測試技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討。

目前自然環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，而且能源危機(jī)日益突顯。中國作為全球的第二大能源消費(fèi)國，油氣資源緊缺、環(huán)境污染相對(duì)嚴(yán)重，這種問題已成為我國發(fā)展新能源汽車最重要的需求和驅(qū)動(dòng)力。節(jié)能、低碳、綠色成為發(fā)展新能源汽車的基本標(biāo)準(zhǔn)。單從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和需求進(jìn)行分析，新能源汽車也是中國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的必然選擇。在政府各項(xiàng)規(guī)劃和政策的推動(dòng)下，我國的新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展起來。我國在動(dòng)力電池、電力系統(tǒng)、電池組等主要的技術(shù)領(lǐng)域上都得到了迅速發(fā)展。其中相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施也在逐漸完善，舉世矚目。但是，新能源汽車在中國的宣傳仍然不夠廣泛，這是什么原因造成的？其實(shí)質(zhì)性的原因還是由于能源以及其驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)比較復(fù)雜，其動(dòng)力電池以及其他系統(tǒng)存在著很多技術(shù)上的不完善，對(duì)于新能源電池固定等比較重要的問題研究不夠充分。因此，我國現(xiàn)代的控制理論為了解決這一問題，對(duì)于其能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大多問題進(jìn)行了一一的梳理。本篇文章主要對(duì)于新能源汽車的電池管理問題以及對(duì)于其控制系統(tǒng)如何進(jìn)行優(yōu)化等問題進(jìn)行研究，并對(duì)于現(xiàn)代控制理論的技術(shù)方法在新能源汽車的應(yīng)用方面作了進(jìn)一步的闡明，最后指出在新能源汽車發(fā)展這一過程中所出現(xiàn)的新問題新挑戰(zhàn)。

1 動(dòng)力電池的分類及其現(xiàn)狀

1.1 鉛酸電池

它是電動(dòng)汽車中使用最寬泛的電池。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，鉛酸蓄電池占已生產(chǎn)電動(dòng)車的90%。這主要是由于它具有開發(fā)歷史長、技術(shù)好、應(yīng)用時(shí)間長等優(yōu)勢(shì)，可是相對(duì)而言，鉛酸電池的能量比較低一些，只有40W·h/kg左右。而且快充技術(shù)不成熟（一般要慢充8h以上），污染效果比較嚴(yán)重。

鉛酸電池是一個(gè)多世紀(jì)以前就出現(xiàn)的電池技術(shù)。它的技術(shù)比較落后、性能差，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。我國電池技術(shù)長期處于一種快速發(fā)展的階段，就目前而言應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行徹底的淘汰。根據(jù)實(shí)際情況顯示，在電動(dòng)汽車和小型電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鉛酸電池占有非常大的市場份額。雖然它們有許多不足之處，但已被各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。此外，鉛酸電池還有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以回收并被再次利用。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是一種高容量比、高能量比的動(dòng)力電池，其放電性能比較良好，而且在電動(dòng)工具方面應(yīng)用的比較廣。但現(xiàn)階段，很多廠商已經(jīng)不再使用鎳氫電池作為汽車能源，其失去了新能源汽車的特定市場。目前，MH-Ni電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榛旌闲偷膭?dòng)力汽車，但是它的性能指標(biāo)并不能達(dá)到目前純電動(dòng)汽車的需要。該電動(dòng)汽車可以行駛的距離高達(dá)兩百公里以上，是鎳氫電池所配置電動(dòng)車公里數(shù)的十倍還要多。盡管燃料電池的功效性能優(yōu)良，但是其開發(fā)技術(shù)比較困難。

1.3 鋰離子電池

截至目前，高聚物Alpine-鋰離子電池在市場上的應(yīng)用占有很大的比重。聚合物不同，組成電池的性能均不同，整體性能具有可比性。對(duì)于市場上的電動(dòng)汽車，廠家會(huì)根據(jù)不同的需求選擇聚合物電池。充電時(shí)間比較短，大約3h。工作電壓可達(dá)4V，安全性較好。然而，因?yàn)殇囯x子電池的成本比較高，加之其充放電的性能比較差，這對(duì)于其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用有一定的限制作用。

1.4 燃料電池

燃料電池作為新能源電池中的一種，其可以將燃料中所儲(chǔ)存的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。雖然在電化學(xué)反應(yīng)的過程中需要氧氣的參與，但是最終產(chǎn)生的有害氣體并不多。因此，燃料電池在環(huán)境保護(hù)方面占據(jù)很大的優(yōu)勢(shì)。另外，燃料電池沒有冗余的機(jī)械傳動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)，所以能量的損耗較低。

燃料電池的缺點(diǎn)也十分明顯。首先，燃料電池的燃料種類比較單一，各種燃料都需要進(jìn)行重整，直至轉(zhuǎn)變?yōu)闅渲蟛拍芄┙o使用。氫的儲(chǔ)備、運(yùn)輸以及重整對(duì)安全性的要求都很高。另外，對(duì)燃料電池的密封性要求也很高，氫氣的泄露不僅會(huì)導(dǎo)致工作效率的降低，還可能引發(fā)火災(zāi)等事故。

1.5 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。能量的傳遞主要通過鈉離子的流動(dòng)進(jìn)行，所以其可以做到對(duì)環(huán)境的零污染。鈉硫蓄電池的蓄能量遠(yuǎn)高于其他電池，所以電池的體積就能縮小進(jìn)而減輕汽車的自重。如此一來，電池的能量就可以用來提升汽車的負(fù)載能力。

鈉硫蓄電池的缺點(diǎn)在于安全性較差。電池在使用過程中是需加熱的，但是其原材料屬于易燃材料。一旦加熱的溫度沒有控制好，電池將會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。使用真空絕緣技術(shù)能夠有效避免加熱超過標(biāo)準(zhǔn)溫度的現(xiàn)象。

2 國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展

我國新能源汽車是在相關(guān)政策要求之下應(yīng)運(yùn)而生，得到國家大力支持。由于各種政策以及資源的投入與實(shí)施，新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐漸崛起，各個(gè)廠商紛紛發(fā)現(xiàn)了新能源汽車的商機(jī)，因此大量進(jìn)行投資。在近幾年的投資之中，新能源汽車的發(fā)展領(lǐng)域越來越寬泛并且發(fā)展的前景也越來越令人期待。但是在發(fā)展的同時(shí)也面臨著許多問題，比如，由于我國對(duì)于新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)還沒有明確的結(jié)果，所以在發(fā)展的過程里面還是有很多的不確定性，不能促進(jìn)新能源汽車這一整體產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。還有一點(diǎn)是新能源汽車的安全問題，現(xiàn)在這一問題已經(jīng)成為全世界矚目的焦點(diǎn)，每每新能源汽車發(fā)生交通安全事故時(shí)，這一事件就會(huì)被放大，從而會(huì)引起社會(huì)上輿論的探討以及對(duì)于新能源汽車安全性能的懷疑。

由于我國現(xiàn)行的一些政策措施都比較傾向于支持新能源汽車，因此，促進(jìn)了新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。由于新能源汽車發(fā)展遇到的問題，暴露出我們的產(chǎn)業(yè)鏈還是沒有那么的完善，所以很多投資者還是不敢投入太多的資金在新能源汽車上面。因此，為了使得新能源汽車得到長足的發(fā)展，我們需要規(guī)劃好新能源汽車一個(gè)具體的目標(biāo)，政府方面也應(yīng)該具體提出幾項(xiàng)措施來保障新能源汽車的發(fā)展。在動(dòng)力系統(tǒng)問題上，還需要大量的科學(xué)技術(shù)人員加快速度對(duì)新能源汽車的改進(jìn)方面進(jìn)行研究。這些工作都離不開社會(huì)資源的投入。

3 動(dòng)力電池綜合測試技術(shù)

在新能源汽車動(dòng)力電池測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，動(dòng)力電池組的測試應(yīng)包括雙向直流電源、動(dòng)力電池組和BMS（電池組管理系統(tǒng)）信息分析卡三個(gè)方面。在對(duì)新能源汽車進(jìn)行檢修時(shí)，常溫及高溫的放電容量不會(huì)有任何故障發(fā)生，而且還能夠有比較良好的可靠性能和穩(wěn)定性能。容易產(chǎn)生問題、發(fā)生故障的是低溫放電容量。

在低溫環(huán)境下，受電池材料的影響，其活性降低，導(dǎo)致了一系列載流問題，產(chǎn)生電流極化現(xiàn)象。因此，在實(shí)際檢測中，需要嚴(yán)格控制其溫度，控制單體電池容量的溫度為-20℃以下，還要比額定值的70%要高。與低溫放電的性能曲線相結(jié)合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的新能源汽車在溫度比較低的條件下，其放電容量需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的額定值，而且需要將其控制在允許的范圍之內(nèi)，從而進(jìn)一步提高電池的檢修水平。要增強(qiáng)動(dòng)力電池測試系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)目的及其意義，還必須對(duì)于不同的測試內(nèi)容進(jìn)行比較細(xì)致的工作，盡量提出多方面多角度的方案政策，提出自己的想法與見解。就當(dāng)前而言，在研究的過程之中比較通用的細(xì)分準(zhǔn)則有：實(shí)現(xiàn)雙重測試系統(tǒng)；對(duì)于復(fù)雜的工況進(jìn)行編輯與實(shí)現(xiàn)等。

在選擇雙向直流電源時(shí)，要盡可能選擇精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)的電源，并在放電過程中及時(shí)將電池的放電能量信息反饋給電網(wǎng)。在選用CAN卡進(jìn)行總線數(shù)據(jù)傳輸和分析時(shí)，需要有隔離保護(hù)裝置，以保證地面環(huán)流對(duì)計(jì)算機(jī)造成的破壞。其電路結(jié)構(gòu)長時(shí)間工作，因此其電路板結(jié)構(gòu)最好能夠采用表面貼裝等技術(shù)保證其工作時(shí)間滿足要求。該接口還能夠支持一些配置軟件。在動(dòng)力電池組的組合中，可以采用不同的串并聯(lián)方式來滿足電池的需要?？焖俪潆姾痛蠊β孰姵乜梢圆捎孟却?lián)后并聯(lián)的方式，但會(huì)增加BMS的監(jiān)控通道。并串聯(lián)模式適用于低功耗的慢充電系統(tǒng)。兩者混聯(lián)可以在電池容量低但對(duì)電池組容量需求大的情況下使用。設(shè)計(jì)師要根據(jù)實(shí)際情況做出正確的選擇。

在測試新能源汽車的電池時(shí)，我們通常會(huì)測試動(dòng)力電池組和電池芯。從試驗(yàn)項(xiàng)目來看，一般分為電氣性能試驗(yàn)和濫用安全試驗(yàn)。對(duì)于動(dòng)力電池組的電氣性能測試，一般通過充放電實(shí)驗(yàn)采集電流和電壓數(shù)據(jù)，并與電池單體的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行比較，得出動(dòng)力電池的電壓變化曲線與電池單體的電壓變化曲線之間的關(guān)系。單體電池的電氣性能測試可以有效地探索不同循環(huán)條件下直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻的變化趨勢(shì)。測試過程需要重復(fù)多次，該試驗(yàn)有助于研究電池單體的壽命特性試驗(yàn)。

4 鋰離子動(dòng)力電池模擬的研究

電動(dòng)汽車的主要能源來源于動(dòng)力電池，可以對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)模型進(jìn)行滿足，可以對(duì)電池的使用情況以及其使用的區(qū)間情況進(jìn)行合理的預(yù)測與工作。對(duì)于電池進(jìn)行模擬可以對(duì)能量的管理問題以及其仿真的模擬性能方面進(jìn)行驗(yàn)證，可以使得其成本問題得到解決。還可以對(duì)電池模型進(jìn)行比較準(zhǔn)確的精確驗(yàn)證，有利于實(shí)時(shí)對(duì)電池的情況進(jìn)行驗(yàn)證，從而可以達(dá)到比較有效果的均衡性以及準(zhǔn)確性。因?yàn)閯?dòng)力電池是一個(gè)多種原因耦合而來的電池，它的工作性能比較繁復(fù)，所以在新能源汽車上建立一個(gè)動(dòng)力電池的模擬系統(tǒng)比較困難。

4.1 鋰離子電池的電壓性能

動(dòng)力電池的電壓環(huán)境不同，其概念也不盡相同。其中對(duì)于電池的模型建立主要是對(duì)于動(dòng)力電池的額定電壓、工作電壓以及開路的電壓進(jìn)行建立。額定電壓是指在額定的工作狀態(tài)之下，動(dòng)力電池工作的電壓。其中鋰離子電池的種類不同，其額定電壓也有一定的區(qū)別。根據(jù)相關(guān)的研究可知，錳酸鋰離子的額定電壓比磷酸鐵鋰離子的額定電壓要高些。工作電壓指的是所在的負(fù)載環(huán)境以及條件差異，其中動(dòng)力電池指的是實(shí)際的工作電壓，也稱其為端電壓，與外部的頻率、大小都有緊密的關(guān)系。

根據(jù)目前的研究狀況，動(dòng)力電池指的是在充放電結(jié)束之后，由于很長時(shí)間會(huì)發(fā)生靜止，因而其所測的電池就是其動(dòng)力電池的開路電壓。在一般情況下，電池在一定的充電和放電之后其電勢(shì)會(huì)有不同。這是由于其電池自身的化學(xué)特性所導(dǎo)致的，鋰離子電池的充電和放電過程之中主要是鋰離子電池在正極和負(fù)極的褪去以及鑲嵌進(jìn)去的一個(gè)步驟，鋰離子電池出現(xiàn)此狀況時(shí)會(huì)引發(fā)正極材料中晶體出現(xiàn)很大程度狀況相變，因此為了使得這種相變得到適應(yīng)，晶體之間就會(huì)產(chǎn)生一定的力，通過散發(fā)一定的能量將其存貯在晶體里。但是因?yàn)殇囯x子電池?cái)U(kuò)散系數(shù)與遷移率在充電與放電的過程之中都存在著很大的不同，所以，在充電放電這一過程之中，力的大小也會(huì)有不同之處，因此會(huì)導(dǎo)致其滯回電壓的產(chǎn)生。

4.2 鋰離子電池的容量特征

電池的容量一般是指在充電和放電過程之中動(dòng)力電池在實(shí)際情況下可以充電和放電的電荷數(shù)目。其中，電壓的定義與其大同小異，環(huán)境不同，它的定義就有所不同，其中主要有理論上的容量，還有實(shí)際操作的容量以及額定容量等等。理論容量指的是其最高的容量值，這是依據(jù)法拉第定律得出的，一般是由動(dòng)力電池化學(xué)成分之中的活性物質(zhì)所決定的。額定的容量主要是指其所釋放出來的容量，這是在一定的額定條件下發(fā)生的。標(biāo)稱容量是指在電池銘牌上廠家所標(biāo)注的參數(shù)，它一般是一個(gè)范圍。因?yàn)閯?dòng)力電池的實(shí)際情況與操作過程之中的環(huán)境等因素有很大的關(guān)系，所以我們一般情況下，將標(biāo)稱的容量作為其表征的參數(shù)。動(dòng)力電池是由很多因素耦合，而且其工作特性是比較復(fù)雜的研究對(duì)象。其極化和老化現(xiàn)象是很復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)過程。在電動(dòng)汽車的實(shí)際操作過程之中，動(dòng)力電池的外激勵(lì)狀態(tài)切換頻繁，激勵(lì)變換極為劇烈，因此很難對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行分析，建立更為精確的動(dòng)力電池化學(xué)模型。由于其直觀、簡單的特點(diǎn)，動(dòng)力電池的外部特性模型只需要參考動(dòng)力電池的外部電壓特性，不用考慮電池之中比較復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)，所以其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池管理的研究領(lǐng)域之中。

5 結(jié)束語

文章具體闡述了新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足公眾對(duì)新能源汽車的需求，我們不僅需要投入資源，更需要解決動(dòng)力電池組的性能和壽命問題，做好動(dòng)力電池組的綜合測試技術(shù)。我們從新能源汽車檢測等方面分析了電池電機(jī)電控的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)于電池系統(tǒng)的檢測有相對(duì)比較完善的系統(tǒng)，而且還從新能源汽車的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況出發(fā)，分析了其主要的運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)新能源汽車能夠廣泛發(fā)展的最終目的。