新能源汽车动力电池健康状态监测的研究

周新 陈忠恺

摘要：本文阐述了新能源汽车动力电池健康状态的影响因素，主要包括温度、电池容量衰减、充放电电流、自放电、一致性等5个因素，进一步通过对RS485、CAN通信检测、电池模组、电池均衡板、接触器等设备进行动力电池健康状态监测数据选取设置，优化动力电池健康状态的各项监测指标，实现保护动力电池健康、提高整车性能、充分使用动力电池的性能、提高经济性等功能。

Abstract： This paper expounds the new energy vehicles the influence factors of power battery state of health， including the temperature， battery capacity attenuation， charge and discharge current， self-discharge， consistency and so on five factors， further through the RS485 and CAN communication balanced detection， battery module， panels， contactor and other equipment power battery health status monitoring data selection of Settings， Optimize various monitoring indicators of power battery health state， realize the protection of power battery health， improve vehicle performance， make full use of power battery performance， improve economy and other functions.

關键词：新能源汽车;动力电池;健康状态;监测

Key words： new energy vehicle;power battery;health status;monitoring

中图分类号：U472.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0164-02

0  引言

随着石化燃料带来的能源危机、环境污染等世界性难题不断突出。发展新型环保可再生能源已然成为全世界发展的有效途径。政策驱动全球汽车电动化，疫情下产业趋势进一步加强。“新基础设施建设”比传统基础设施更致力于建设高科技基础设施，“新基础设施建设”主要包括5G基础设施、特高压、城际高铁列车和城市轨道交通、新能源汽车、大数据中心、人工智能等7个主要领域[1]，而电动汽车动力电池产业链涵盖了采矿、冶金、活性的材料（包括分离器及正负极材料等）、单体电池、组装以及回收电池等多个上下游市场。

新能源汽车占比率在此背景下得到持续增长，带动锂电及四大材料的需求。2020年全球汽车销量7528万辆，纯电动汽车307万辆，纯电动汽车占比率4%;2025年预测世界汽车销量9328.3万辆，纯电动汽车1253.6万辆，纯电动汽车占比率可突破15%，到时候动力锂电池CAGR6使用量可达35%。因此对新能源汽车动力电池健康状态各项参数指标进行监测与优化就变得至关重要了。如表1所示。

1  动力电池及管理系统

1.1 动力电池技术分析  动力电池由若干电池模组组合而成，电池模组再由是若干单体电池个体串并联连接之后组合而成，当然动力电池组连接的方式可分为直接串联、先并联后串联及先串联后并联三种方式。动力电池一般按照材料来分为铅酸电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池、锂离子聚合物电池等4种。各种参数如表2所示。

1.2 动力电池管理系统技术分析  电池的基本参数有单体电压参数、电池容量参数、电池内阻参数、电池能量与能量密度、功率与功率密度、放电深度、使用寿命、自放电率、不一致性、放电制度、荷电状态等。

电池容量表示在放电率、电池温度、终了电压等一定条件下电池放出的电荷量，即电池的容量，通常以安培.小时，用A.h表示，1A.h=3600C，为单位。因此影响电池的因素有温度、充放电、不一致性。如图1所示，磷酸铁锂电池在-20℃、25℃、50℃的放电容量、电压的变化。

因此，为了确保动力电池的稳定性，纯电动汽车配置有对动力电池各项工作参数进行监测的管理系统，即是动力电池管理系统，动力电池管理系统通常由电源模块、CPU、模块文档控制、电压网络、温度控制网络、电流采集、输出接口、CAN总线接口、电子开关等模块组成。

2  动力电池健康状态和剩余寿命预测的数据

2.1 动力电池健康状态数据分析  动力电池管理系统监测数据主要包括有：采集监测数据、电池状态监测管理、能量监测控制、安全监测控制、热监控、均衡监测控制、通信功能和人机功能接口。根据电池的正负极材料、电池的外形、电池的容量、电池的化学特性等特性，对动力电池组的数据监测采集主要是电池电压、电流、单体电池温度等[2];动力电池健康状态管理主要在于热监控、均衡控制的能量监控;安全管理主要监测充放电继电器、人机通信接口的安全。

2.2 动力电池荷电状态分析  荷电状态用SOC（stateofcharge）表示，反映動力电池的剩余电池容量，其数值上定义为剩余电池容量占额定电池容量的比值，监测数据值范围为0～100%，当SOC=100%时表示电池完全充满而SOC=0%时表示电池完全放电。

荷电状态是防止动力电池过度充电和过度放电的主要参数，正确监测动力电池组的荷电状态可以最大限度提高动力电池组的利用率以保证动力电池组的使用年限。

电池荷电状态，其经典的表达式为：

SOC=Qre/Qall*100%

式中Qre表示动力电池中剩余的电荷量;

Qall表示动力电池的标称电压。

若考虑电池容量的衰减，那么公式可转化为：

SOC=Qre/（Qused+Qre）*100%

式中Qused表示在最后一次充满电的情况下，电池已经放掉的电荷量。

2.3 动力电池健康状态影响因素  动力电池管理系统通过网关调度程序，主要包括SOC计算、电流测量、电压测量、均衡控制、温度控制、报警、输出控制、CAN通信、UART通信。其中动力电池健康状态影响因素主要取决于温度、电池容量衰减、充放电电流、自放电、一致性。

①温度：在不同温度下，动力电池容量会在范围内有所变化。②电池容量衰减：电池的容量在循环期间逐渐减小，因此电量的校正条件必须不断更改。③充放电电流：动力电池与额定充放电条件相比来说一般显示出大电流充放电容量低于额定容量，小电流充放电容量大于额定容量。④自放电：电池内部的化学反应会导致自放电，插入时会导致电源故障，自放电的程度主要取决于环境温度，必须根据实验数据进行校正。⑤一致性：电池组的建模和容量估算与单节电池的建模和容量估算有所不同，并且电池组的一致性差异对性能估算有重要影响。根据总电池电压估算并校正电池的性能。如果电池差异很大，将导致估算精度的较大误差。

2.4 动力电池健康状态监测  通过对RS485、CAN通信检测、电池模组、电池均衡板、接触器等设备进行动力电池健康状态监测数据选取设置。如图2所示。

最终确定了将电池的容量作为锂离子电池健康状态的评价指标，并基于锂离子电池充放电过程的状态参数，提出将电压、电流、温度、荷电状态（SOC）联合作为健康因子进行SOH估计。

3  动力电池健康状态监测效果

3.1 保护动力电池健康  正确监测动力电池健康状态指标参数，比如荷电状态值，将荷电状态状态控制在一定范围内（例如20%至80%）可以防止电池过度充电或过度充电从而确保电池的正常使用并延长电池寿命。

3.2 提高整车性能  在没有针对动力电池的准确监视数据的情况下，车辆控制策略必须保守地使用电池确保安全使用动力电池以防止动力电池过度充电和放电，从而使动力电池无法完全用尽潜在的动力，这会降低整个车辆的性能。

4  结论

动力电池作为新能源汽车的三大核心总成之一，对动力电池健康状态监测评估尤为重要，在监测数据分析中发现，动力电池健康状态主要取决于温度、电池容量衰减、充放电电流、自放电、一致性等5个影响因素，相信通过对RS485、CAN通信检测、电池模组、电池均衡板、接触器等设备进行动力电池健康状态监测数据选取设置，进一步优化动力电池健康状态的监测指标。

参考文献：

[1]李晓栋.新基建背景下静态交通产业发展研究[J].中国商论，2021（06）：159-161.

[2]张人杰，李聪.锂电池组新型分层均衡控制策略[J].农业装备与车辆工程，2021，59（03）：5.

[3]肖业.电动汽车动力电池健康状态在线动态估算方法[J].电源技术，2021，45（02）：177-180，235.