简述燃料动力电池与锂离子电池的管理系统比较

目前电动汽车的主流技术路线就是锂离子电池和燃料动力电池（PEMFC）。相对而言锂离子电池在技术成熟度和成本方面有着明显的优势，商业化程度更高。燃料动力电池技术目前在成本、使用寿命、基础设施配套等方面距离规模化应用还有一定的距离，但较锂离子电池而言还是有能量密度高、补给速度快的优势，未来势必会有很大的发展空间。

从技术专利申请的情况看锂离子电池在2008年起迎来了爆发，逐年线性递增（2016年达8000件），与锂离子电池产业化的脚步高度吻合。由此我们来看燃料动力电池多年维持在2000件左右的专利申请数且实用新型偏少，从一个角度印证了该技术还处于产业化前期的技术验证阶段。预计在2020年至2025年燃料动力电池技术可能进入快速发展阶段，在此想比较一下锂离子电池和燃料动力电池在管理系统上的异同。

有时候觉得锂离子电池的管理系统（BMS）和燃料动力电池的控制系统（FCS）其实并没有可比性。因为锂离子电池系统属于储能装置，而燃料动力电池系统属于发电装置，和发动机进行对标更合适。但另一方面燃料动力电池系统和锂离子电池系统又有很多相似之处；都是由多节单体串联而成要对单体进行监控，都是输出电能并要根据电池状态实时调整功率边界。较锂离子电池而言燃料动力电池单体电压平台更低（标称电压约1V），功率响应有一定的滞后性，因此FCV车型动力总成中往往要锂离子电池系统或超级电容用于功率的瞬间输出和回收。

下图以Tesla电池系统与BALLARD的燃料动力电池系统进行比较，可见锂离子电池系统对外部的接口简单清晰（低压接口、动力高压接口、冷却回路接口）。而燃料动力电池系统不仅包含常规的这三组接口，还要有氢气路接口与氢瓶连接，空气路接口获取氧气并由空压机增压后注入电堆内，同时还要有排气通道。

锂离子电池系统架构中被控对象重要包括：锂离子电池单体、接触器、冷却系统；要监控的关键参数为：电流、电池单体电压、系统总压、温度、绝缘电阻等，相比较较简单。

而燃料动力电池系统架构中的被控对象包括了：燃料动力电池电堆、减压阀、进氢阀、进气阀、排气阀、水循环系统、空压机、加湿循环泵等。要监控的关键参数在锂离子电池的基础上要新增：进堆口氢气压力、减压阀前氢气压力、空气压力、空气流量、空压机电流等，并且要控制进堆的氢气和空气保持适当的湿度。

4.控制策略比较

锂离子电池BMS的策略重要可分为两部分：BSE电池状态算法和运行管理策略。由于锂离子电池的电化学反应是电池主动完成的，因此BMS无需直接进行控制，只要评估反应后的状态。运行策略重要是基于对状态的评估结果执行接触器、热管理装置、均衡功能的控制。

燃料动力电池的电化学反应过程要通过控制系统控制物质的输入输出以及工作环境才得以进行，因此FCV的策略要基于电堆控制模型、空气路控制模型、氢气路控制模型、以及冷却系统模型实现有效控制。

5.主观的感想

最后谈一下对BMS和FCS控制策略的主管感受。BMS管理手段更像西医疗法，例如电池的均衡策略就是识别单体电池荷电态的不同，通过高放低充的方式直接进行治疗。相比之下对燃料动力电池的管理有点中医治疗的味道，要定期对燃料动力电池进行吹扫和活化来保持一致性。在运行过程中的控制上燃料动力电池复杂程度更高，多个模型之间互为输入，因此采用机理模型（基于能量守恒、电化学反应方程的模型）很难得到最优控制。预计在未来采用辨识模型（基于先验知识实现等价模型匹配的算法）进行控制可能会是趋势。