新能源汽车发展需破解锂电池成组应用难题

日前，中国电源工业协会常务副理事长方英民在接受本网采访时表示，锂动力电池的使用寿命是制约新能源汽车发展的核心问题，只有实现了锂动力电池的“长寿命”，才能迎来新能源汽车的春天。

新能源汽车与锂动力电池

近年来，天气问题成为人们关注的焦点，据有关数据显示，今年全国雾霾平均天数达到229天，创15年来之最。以北京为例，雾霾天数比往年更多，而且持续时间更长、更严重。随着机动车保有量增多，尾气排放所造成的空气污染日益严重，据分析，传统汽车已成为城市雾霾元凶。

传统汽车面临的石油危机，交通道路拥挤，汽车尾气污染，大气污染所造成的全球性温室效应等问题亟待解决。而新能源汽车以低碳，环保，节能著称，成为近年来政府大力扶持的新兴产业。

电动汽车不是新生事物。早在1834年，世界上就诞生了第一台以不可充电电池为动力的电动汽车，它比汽油车早半个世纪。而随着石油危机加剧和环境的日益恶化，电动汽车或将代替汽油车，成为未来交通的新趋势。

我们常说的电动车是广义概念，包括电动自行车、低速车、HUV混合动力车，及真正的大巴车，电动车发展过程与动力电池技术紧密相关。而锂动力电池自问世以来，相对于铅酸电池而言，因其重量更轻、体积更小，循环寿命更长，可高倍率充电/放电等优点，迅速成为新能源汽车能量载体的首选。锂动力电池是新能源汽车产业化的关键。

锂电池的安全和寿命

目前，提到锂电池，人们最担心的是安全问题。如2013年的“波音787”锂电池起火事件，国内包括特拉斯在内的多起电动车燃烧事故等。因此保证电动车的安全性是锂电池应用的必要条件。随着技术的进步和锂电池安全标准的出台，锂电池的安全性已显著提高。

相对于单锂电池来讲，锂电池成组应用是新能源汽车的关键。电池厂向用户承诺的千磁以上的锂电池循环寿命仅限于单体电池，而成组应用时寿命往往会大打折扣。电动汽车的动力电池需要多只单电池的串并联，单电池只要成组应用，其“一致性趋减”的问题就凸显出来。即使电池在出厂时一致性偏好的情况下，只要在电动汽车特有工况环境（电池在电动车的摆放位置不同、温度场不同）下应用一段时间，因电池组串并联引起的电化学特性的改变就会显现，从而导致电池组中某一单体电池由于“过充电”或“过放电”等原因率先失效，影响电池成组的安全性和循环寿命。

因此，电池成组应用“优育”的前提是“优生”——电池一致性。“养生”——电池均衡只适宜解决电池出厂前后差异化带来的问题，并不治本。电池成组应用的问题得不到解决，将会极大地“拖住”新能源汽车产业化的前进步伐。

电池拐点是否是关键环节

由于电池成组应用问题是新能源汽车产业化的核心技术问题，一种采用电子线路来解决“电池电化学成组一致性特性变差”的办法应运而生，业界称之为电池管理系统（BMS）。

参照电池管理系统（BMS）原理框图，中间绿色部分是BMS主控制模块，包括数据采集模块，绝缘检测模块，高压控制模块，彩屏控制模块。中控制模块只是一个检测单元，并不等同于BMS。完整的BMS所起的作用包括与整车控制器、电机控制器、充电机接口、驱动电机、充电机相结合。

电池的安全问题主要是电池的“过充过放”问题。BMS首要解决的即是电池的“过充过放”问题。由于锂电池的本身特性，锂电池在充放电后期，充电或放电至90%-95%的电量的特性曲线，由此形成拐点现象，业界称之为“电池拐点”。当然，随着电池本身的温度或应用环境温度的不同，以及充放电电流的深度等因素，都会影响到拐点的形态。

以国内某大型电池厂的一只180Ah磷酸亚铁锂锂离子动力电池在国家某家重点实验室进行测试数据为例，在室温下1/3C充放电的电压曲线如图1所示。充放电的电压平台都是3.35V左右，充电电压两个拐点是3.25V和3.45V，放电电压两个拐点是3.4V和3.1V。

BMS的管理特性主要是通过“限两头”和“电池拐点”来实现。通过控制充电机和电机控制器的管理手段，防止锂电池的“过充电”和“过放电”，解决电池安全问题，业界简称为“限两头”。目前，利用电池电化学“拐点”特性，通过BMS合理管理可解决电池“长寿命”问题。经过几年的实践，尤其是通过北京奥运会和上海世博会期间BMS在电动车上的示范应用，BMS已得到业界的广泛认可。

目前，BMS规模化生产仍面临困境。其一是国内锂电池种类繁多，主流电池厂各自为战，BMS很难形成针对不同电池的技术标准。其二是锂电池处于产业化发展初期，存在着生产工艺极不完善，生产设备自动化程度不高等因素，很难保证锂电池出厂时的初始一致性。其三锂电池与BMS之间的配套技术不成熟，BMS仍需大量重复性定制开发，相关的技术标准难以出台并试行。

因此，面对锂电池规模化生产的复杂现状，解决“电池一致性问题”的各种均衡技术应运而生。

几种电池均衡技术的比较

锂电池应用的主要问题是电池成组应用问题。为解决“电池一致性问题”，业内普遍使用电池均衡技术。目前，业界把主流电池均衡技术分为被动均衡法（能耗分流法），主动均衡法（动态均衡法），内均衡法（自然均衡法）三种。

被动均衡法是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。在传统能耗型BMS系统中，以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充电过程中做均衡工作，多余的能量被消耗到消耗电阻上，效率为零。同时，均衡电流很小，通常小于100mA，对大容量电池的作用可忽略不计，SOC估算精度也很低。

被动均衡法的特点是原理简单，容易实现，当均衡电流较小时，器件成本相对较低。但存在两大问题：一是电阻能消耗放电，浪费能量，产生热量；二是由于放电电阻不可能选得太小，充电结束时，根据电池特性往往小容量电池的电压最高，在静态均衡时，放掉的恰恰是小容量电池的电量，反而加大了电池间的互差。

主动均衡法，是针对电池在使用过程中产生的容量个体，及自放电率产生的电压差异进行主动均衡。其主要功能是在电池组充电、放电或放置过程中，都可在电池组内部对电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。

主动均衡法的主要特点有采用DC/CD双向有源均衡电路，均衡效率高；充电、放电和静态过程中都做均衡；平衡电流大，均衡速度较快。但也存在两大问题：一是技术复杂，成本高，实现困难；二是频繁切换均衡电路，对电池造成的伤害大，影响电池的寿命。

目前，无论是被动均衡技术还是主动均衡技术，都不能很好地解决问题。究其原因，目前普遍使用的充放电控制过程，是以固定的电压作为充放电终止条件，而电池在工作过程中，其有效电压范围是随着温度、充放电流和循环周期等条件在不断变化，因此，采用固定电压控制充放电，极易造成电池的过充或过放。而温度的变化会造成锂电池内部材料的老化，使电池过早劣化。虽然研究人员一直在探索并提出一些解决方案，并对电池进行了建模和仿真，但算法过于复杂，不适合在电池管理系统的单片机上运行。由于缺乏普遍性，需要对特定品牌和型号的电池进行复杂的辨识和建模，在电池组的充电设备上不断进行改进，以获得更平稳的充电电源，但作用仍然有限。

内均衡法是利用BMS在对串联电池充电的过程中，通过调节充电电流和控制充电电压的拓扑算法，使得电池组中各单体电池荷电量达到基本一致。

内均衡技术的特点是算法简单；没有能量损失；没有增加附加的充放电过程，不影响电池寿命；不增加硬件设备。但如果电池的荷电量相差很大，则需要较长的时间才能均衡。

近年来，BMS采用内均衡的方法在国内外80多家动力电池厂及不同车型的电动车厂家做过大量实际验证，均取得了很好的应用效果，得到业界广泛好评。

通过三种均衡模式的对比，并经过大量实践案例证明，BMS“内均衡技术”遵循了“电池拐点”理论，既省去了繁杂且违背电池固有规律做法的硬件成本，又降低了锂电池成组应用的运营成本，得到业界广泛认可。

突破BMS瓶颈实现产业化

新能源汽车主要包括到电机、电池、电控三大部分。就其价格而言，电池价格占整车价格的一半，非常重要。电池工业历经了十多年的发展，主要是锂电池行业，已积累了大量经验和技术。

锂电池长寿命成为新能源汽车产业的追求目标。只有在保证“电池出厂一致性”的标准前提下，配合以BMS的科学管理手段，在“电池拐点”允许的范围内，合理利用电池的充放电特性，才能保证电池组的“循环寿命最大化”。

目前，锂电池成组管理技术难以突破现有技术瓶颈，是制约新能源汽车产业化发展的最大障碍。只有实现整车（电机）、锂电池、BMS（电控）三者之间的合理配合，才能实现新能源汽车走向产业化、规模化、市场化之路。