摘要：蓄電池及其管理系統(tǒng)是影響和決定電動(dòng)汽車性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文首先簡(jiǎn)述了電動(dòng)汽車用蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析了電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池組的選型要求，隨后著重介紹了蓄電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)電動(dòng)汽車用蓄電池技術(shù)的前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;蓄電池;關(guān)鍵技術(shù)
　　蓄電池是電動(dòng)汽車的主要儲(chǔ)能裝置之一，也是決定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程以及衡量車輛性能的重要指標(biāo)之一。世界各國(guó)都在研發(fā)滿足整車要求的、可靠性高的蓄電池。蓄電池的主要性能(能量密度、功率密度、安全性、循環(huán)壽命、溫度特性等)影響著其發(fā)展[1]。
　　1.電動(dòng)汽車用蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀
　　應(yīng)用于電動(dòng)汽車(純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車等)的動(dòng)力電池發(fā)展歷經(jīng)三代：1)鉛酸蓄電池2)堿性蓄電池，包括鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等3)燃料電池。燃料電池的發(fā)展最有前景，但技術(shù)上還不太成熟，有待進(jìn)一步研究。因此，蓄電池憑借著其技術(shù)成熟、安全耐用、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，依舊是目前電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置的主要選擇。
　　鉛酸蓄電池作為電動(dòng)車的第一代電源，雖尚有許多不足，但是由于應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，成本售價(jià)低廉，特別是近年來(lái)密閉技術(shù)已日趨完善，所以鉛酸蓄電池在動(dòng)力電源中仍占有一席之地[2]。鉛酸蓄電池性能可靠，壽命長(zhǎng)維護(hù)方便，鉛原料充足，但其比能量低，輸出波動(dòng)大，低溫性能差，充電時(shí)間長(zhǎng)。隨著電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，鉛酸蓄電池必將逐步被眾多新型高性能的蓄電池所淘汰。
　　鎳氫電池是目前人們看好的第二代電池之一，它將逐步取代鉛酸電池的產(chǎn)品。鎳氫電池的能量密度和功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于鉛酸電池，所以日益應(yīng)用到電動(dòng)汽車上。鎳氫電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：比能量高(一次充電可行使的距離長(zhǎng));比功率高，在大電流工作時(shí)也能平穩(wěn)放電(加速爬坡能力好);低溫放電性能好;循環(huán)壽命長(zhǎng);安全可靠，免維護(hù);對(duì)環(huán)境不存在任何污染問題，可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。但是Ni-MH蓄電池成本太高，價(jià)格昂貴。
　　鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池。鋰元素是緊隨氫和氦之后第三種最輕的元素，它具有最低的負(fù)電動(dòng)式，而且鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)過程對(duì)活性材料的應(yīng)力小。鋰離子蓄電池是綠色蓄電池，不會(huì)因廢棄造成二次污染，容易被政府環(huán)保部門接受，并且它儲(chǔ)能特性好，所以說(shuō)鋰離子電池在各種動(dòng)力電池中最具發(fā)展?jié)摿Γ鼘⒅鸩饺〈嚉潆姵兀蔀殡妱?dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池的主流[3]。美國(guó)、日本等汽車發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鋰離子電池的研究工作都給予了更多的重視與投入。
　　常用的蓄電池種類的性能指標(biāo)如表1[2]。

	Pd-acid	Ni-Cd	Ni-Fe	Ni-Zn	Ni-MH	Na-S	Li-ion
比能量（Wh/Kg）	35	55	57	70	60 - 70	100	100
功率(W/Kg)	130	170	130	180	170	150	300
循環(huán)壽命(次)	400-600	500以上	800-1000	200-300	1000以上	350	1200
優(yōu)點(diǎn)	廉價(jià)可靠性高	比能量較高壽命長(zhǎng)耐過充放性好	比能量較高壽命長(zhǎng)耐過充放性好	比能量高功率大	比能量高壽命長(zhǎng)	比能量高	比能量高電壓高
缺點(diǎn)	比能量較低耐過充放性差	Cd有毒性價(jià)高高溫充電性差	需經(jīng)常補(bǔ)水價(jià)高充電效率低	壽命短價(jià)高高溫充電性差	價(jià)高高溫充電性差	高溫工作穩(wěn)定	價(jià)高安全性問題
現(xiàn)狀	部分達(dá)實(shí)用化	部分達(dá)實(shí)用化	實(shí)用試驗(yàn)中	實(shí)用試驗(yàn)中	實(shí)用試驗(yàn)中	實(shí)用試驗(yàn)中	開發(fā)實(shí)用試驗(yàn)中

　　2. 電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池組的要求
　　蓄電池可以適用于純電動(dòng)汽車(EV)以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)。EV和HEV對(duì)動(dòng)力電池組的工作要求有所不同。
　　2.1 EV對(duì)蓄電池的工作要求
　　EV是僅由動(dòng)力蓄電池組提供電能驅(qū)動(dòng)行駛的車輛，由于蓄電池組是EV的唯一儲(chǔ)能裝置，因此EV動(dòng)力蓄電池組要有足夠的能量和容量，而且要具有深度放電能力，在必要時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿負(fù)荷功率和全放電。EV的動(dòng)力電池組必須進(jìn)行周期性的充電，因此高效率充電裝置和快速充電裝置是很必要的[1]。
　　2.2 HEV對(duì)蓄電池的工作要求
　　與EV相比，HEV對(duì)動(dòng)力蓄電池組的容量要求有所降低，但要能夠根據(jù)整車要求實(shí)時(shí)提供更大的瞬時(shí)功率。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的HEV，由于工作環(huán)境、工作模式的復(fù)雜性等對(duì)動(dòng)力蓄電池組提出統(tǒng)一的要求是比較困難的，但一些共性要求可以歸納如下：
　　(1) 蓄電池組的峰值功率要大，能短時(shí)大功率充放電。
　　(2) 循環(huán)壽命要長(zhǎng)，達(dá)到1000次上的深度放電循環(huán)和40萬(wàn)次以上的淺度放電循環(huán)。
　　(3) 電池的荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)應(yīng)盡可能保持在50%-85%的范圍內(nèi)。
　　(4) 需要配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)[1]。
　　3.電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
　　除了和電池本身性能表現(xiàn)外，電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是電動(dòng)汽車絕不可少的核心系統(tǒng)。BMS是聯(lián)系蓄電池組和整車之間的重要橋梁，主要是為了能夠提高電池的利用率與使用率，防止電池本身出現(xiàn)過充電和過放電，以便最大限度地利用電池的存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命，與此同時(shí)BMS還監(jiān)測(cè)電池的使用狀態(tài)，從而對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程需要運(yùn)用很多技術(shù)，如數(shù)據(jù)采集、剩余容量的估算、熱管理技術(shù)、均衡充電、安全管理和實(shí)時(shí)通信技術(shù)等，以下將對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。
　　3.1 SOC估計(jì)
　　SOC是用于描述電池剩余電量的參數(shù)，是電池使用過程中的重要參數(shù)。早期電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池主要用電壓作為限制條件來(lái)防止過充或過放，而目前這已經(jīng)不能滿足電動(dòng)汽車的發(fā)展要求。一方面，電動(dòng)汽車要求準(zhǔn)確估計(jì)電池SOC，從充分發(fā)揮電池能力和提高安全性兩個(gè)角度對(duì)電池進(jìn)行高效管理，以進(jìn)一步提高整車性能。另一方面，電動(dòng)汽車電池在使用過程中表現(xiàn)的高度非線性，使準(zhǔn)確估計(jì)SOC具有很大難度。兩方面的結(jié)合，促使電動(dòng)汽車電池SOC估計(jì)的研究工作不斷開展，與此同時(shí)新方法也不斷出現(xiàn)[4]。
　　傳統(tǒng)的SOC基本估算方法有開路電壓法、內(nèi)阻法等。開路電壓法適用于測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下的電池SOC，在電動(dòng)汽車行駛過程中不宜單獨(dú)使用。開路電壓法通常用作其它算法的補(bǔ)充。內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池的內(nèi)阻與SOC之間的聯(lián)系來(lái)預(yù)測(cè)SOC。但電池的內(nèi)阻受多方面的因素影響，測(cè)量結(jié)果易受干擾，可信度不高。再加上這種方法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，因此在實(shí)際應(yīng)用中比較困難[4]。
　　3.2 熱管理技術(shù)
　　熱管理是BMS的重要組成部分，主要任務(wù)是使電池工作在適宜溫度范圍內(nèi),提高能量效率，確保電池的安全性，穩(wěn)定電池的工作性能。
　　熱管理系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)有三點(diǎn)，確定電池最優(yōu)工作溫度范圍，電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)以及傳熱介質(zhì)的選擇。[5]按照采用的傳熱介質(zhì)來(lái)分類， 熱管理系統(tǒng)可以分為：空氣冷卻、液體介質(zhì)冷卻和采用相變材料冷卻的熱管理系統(tǒng)。[6]空氣冷卻是目前電動(dòng)汽車電池組最常用的散熱方式。
　　隨著蓄電池組在電動(dòng)汽車中扮演著越來(lái)越重要的角色，電池?zé)岘h(huán)境的惡化與對(duì)電池性能的要求越來(lái)越苛刻的矛盾日益突出，研制高效的冷卻系統(tǒng)迫在眉睫。熱管理系統(tǒng)目前還存在不少值得研究的問題，現(xiàn)有車輛上的蓄電池散熱多為僅考慮外部散熱結(jié)構(gòu)，很少將電池內(nèi)部傳熱特性與外部散熱過程耦合分析，而這是從根本上控制電池，散熱帶來(lái)的負(fù)面影響的有效途徑。另外，如何利用電池導(dǎo)出的廢熱，與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱一起，加以回收利用，用于車用空調(diào)系統(tǒng)，也是將來(lái)電池?zé)峁芾戆l(fā)展的一個(gè)方向。
　　3.3 均衡充電技術(shù)
　　均衡充電技術(shù)也就是為單體電池均衡的充電，其作用在于使電池組內(nèi)每一個(gè)電池都可以達(dá)到均衡一致的穩(wěn)定平穩(wěn)狀態(tài)。均衡技術(shù)是目前世界各國(guó)都在致力研究與大力開發(fā)的一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　從均衡結(jié)構(gòu)形式來(lái)分，常用的均衡充電有集中均衡和獨(dú)立均衡兩種。集中均衡充電通過均衡控制單元，控制繼電器網(wǎng)絡(luò)的切換實(shí)現(xiàn)同一個(gè)均衡充電單元對(duì)不同單體電池進(jìn)行均衡充電的控制。這種方法充電硬件設(shè)備簡(jiǎn)單，但繼電器網(wǎng)絡(luò)控制邏輯要求高，每次只能給電池組內(nèi)的一只電池進(jìn)行均衡充電，均衡效率低。獨(dú)立均衡充電有若干均衡充電單元，通過分布的均衡控制單元控制每個(gè)均衡充電單元對(duì)一節(jié)電池或一組電池進(jìn)行均衡充電。與集中均衡充電相比硬件復(fù)雜，設(shè)備成本高，但是均衡充電的自動(dòng)化程度高，控制靈活，可以同時(shí)對(duì)多只電池進(jìn)行均衡化處理。動(dòng)力蓄電池組均衡充電具有三種方式：充電結(jié)束后實(shí)現(xiàn)單體電池間的自動(dòng)均衡、充電過程中實(shí)現(xiàn)單體電池間的自動(dòng)均衡及采用輔助管理裝置，對(duì)單個(gè)電池的電流進(jìn)行調(diào)整。
　　BMS作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵的技術(shù)之一，與其他技術(shù)相比，還有很大發(fā)展空間，尤其是在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面，都有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
　　4、電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池技術(shù)前景展望
　　對(duì)于各種動(dòng)力蓄電池，暫時(shí)還無(wú)法斷言哪一種一定會(huì)取得未來(lái)動(dòng)力電源市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，但可以對(duì)各種動(dòng)力蓄電池的發(fā)展力和前景進(jìn)行展望。鎳氫電池和鋰離子電池憑借著它們領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)已逐步取代之前的鉛酸電池成為電動(dòng)汽車用蓄電池的主體。鋰離子是最有可能在可外接充電式混合動(dòng)力汽車上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的蓄電池。
　　5.結(jié)語(yǔ)
　　當(dāng)前電動(dòng)汽車技術(shù)正處于發(fā)展高潮，由于電動(dòng)汽車技術(shù)的全面發(fā)展，最應(yīng)提高的就是存儲(chǔ)技術(shù)。性能、成本、壽命、可靠性和價(jià)格等將成為動(dòng)力電池能否占據(jù)市場(chǎng)的主要因素。隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和突破，具有高能量密度、高功率密度、較好的充放電性能、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及高安全性等優(yōu)秀性能的汽車用動(dòng)力電池定會(huì)實(shí)現(xiàn)商品化。
　　參考文獻(xiàn)
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