河南开放大学学生团队致力于石墨烯新型动力电池研究

2015-2025 年，电动汽车取代电子产品成为全球锂电池增长主力。近年来，在产业政策的鼓励与补贴下，新能源汽车市场持续快速扩张，带动动力锂电池需求猛涨。电动汽车电源管理系统（BMS）是动力和储能电池包中不可或缺的重要部件，包括多个处理模块：数据采集模块、SOC 估算模块、电气控制模块、安全管理模块、热管理模块、数据通信和显示模块等。电池管理系统主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。通过控制功能模块及执行部件，保持整组电池运行的可靠性和高效性，此外，BMS 还需向用户端传输和显示里程和故障信息。

电池组是电动汽车的主要储能部件，由锂电池组成，由于车辆上装载电池的空间有限，正常运行所需的电池数目也较大，电池会以不同倍率放电，在常温和高温环境下，电池供电过程中会产生大量的热量，电池包内温度上升严重影响电池组的电化学系统的运行、循环寿命、充电可接受性、电池包功率和能量、安全性和可靠性等。在冬天，新能源汽车在启动之前由于受到低温影响，动力电池的化学分子活性会降低，会导致充电速度变慢，续航里程减少，直接影响到车辆的正常使用。为了解决这些问题，新能源汽车均配有热管理系统 BMS，主流的 BMS 系统有空气式散热系统、液冷式散热系统、相变材料式散热系统、热管式散热系统。主流的电池加热系统主要依靠 PTC 或者加热丝进行加热，这些解决方案均存在空间需求大、热管理效果不稳定等问题。

基于上述背景，河南开放大学由王文博、郭东奎、郑铭萱、柳河等组成的团队设计了石墨烯新型动力电池一体化 BMS 解决方案。依靠石墨烯的柔性以及电导、热导性，在低温时，依靠石墨烯材料进行快速均匀升温，提升锂离子活性，保护电池。高温时借助石墨烯的热导性，快速散热。

该系统将动力电池热管理系统进行革新，区别于现有的动力电池热管理系统冷热分离的方式。采用冷暖一体化装置，借助石墨烯的电导性和热导性，在动力电池包的内部和周围涂抹柔性的石墨烯材料。当动力电池温控系统检测到低温时，管理系统会给石墨烯材料施加 12V 的电压，石墨烯材料快速均匀升温，使动力电池快速达到充放电和锂离子活跃的最佳温度，系统则会保持恒温或者断电。当动力电池运行一段时间电池包升温后，动力电池温控系统检测到高温，则自动运用石墨烯材料出色的热导性，讲余热进行散发，和同类的导热材料相比，石墨烯在速度和效率方面具有明显的优势。该装置相对现有的 BMS 热管理系统，节省超过 60%的内部空间，效率更高、安全性和稳定性更好。

同时团队利用独创的基于改进 Kalman 滤波的 SOC 估算模型进行电池的动态估算，相对目前的行业解决方案具有监测精度更高、监测响应更快等优势。