破解新能源车与锂电池产业化发展之怪圈

添加时间：2013-08-01 11:05:40 来源：爱中国能源网

1.被动均衡法 （能耗分流法）：在传统能耗型BMS系统中，均衡方式主要以被动均衡为主，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，多余的能量杯消耗到能耗电阻上，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以忽略不计，SOC估算精度也很低。
     被动均衡法工作原理：就是把整组电池系统中，串联成组的单体电池电压差异性，通过BMS进行电压采集，以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。

    特点：1）原理简单，实现容易；2）均衡电流小时，器件成本相对较低。

    问题：1）电阻能耗放电，浪费能量，产生热量；2）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是最高的，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。

2.主动均衡法（动态均衡法）：主动均衡法是针对电池在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生  的电压差异进行主动均衡的一种方法。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中，都可在电池组内部对于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。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗，以及电池的电化学特性中极化内阻的变化，并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题。

      主动均衡法工作原理：利用能量转移装置将高能量电池的电量补充到低能量电池中。其实质是运用电池组内电池能量可单/双向转移的手段，让电池组内电池电压（容量）高的那只单体电池，或是组内总回路电池，或是另设一只单独用于平衡用的独立电池，通过电磁感应法，或单、双向DC/DC的方法，将其富裕能量向组内其他电池电压（容量）较低的电池，按排序法补充电能给组内容量较低的那只电池，此方法可以在电池充电、放电或电池静置时进行。以期达到改善电池成组差异性的目的。

     特点：1）采用DC/DC双向有源均衡电路均衡效率高；2）充电、放电和静态过程中都做均衡；3）平衡电流大，均衡速度较快。

问题：1）技术复杂，成本高，实现困难。

2）因须频繁切换均衡电路，对电池造成的伤害大，影响电池的寿命。

     原因：在均衡过程中，不断地对电池进行充放电，造成极板活性材料过早老化（这是影响电池寿命的重要因素）。

3.内均衡法（自然均衡法）：内均衡技术是利用BMS在对串联电池组充电的过程中，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的一种充电均衡技术。

     内均衡法工作原理：电池在充电过程中，其端电压可表示为：U = E + I Ri其中，E为电池的电动势，I为充电电流，Ri是电池的内阻。电池的内阻Ri又可以表示为：Ri = RΩ+Rf RΩ是电池的欧姆电阻，Rf是电池的极化电阻。 RΩ较稳定，在充电过程中基本不发生变化。而Rf变化较大，在充电接近尾声时，由于反应面减小，极化电阻会变大。 1、当电池端电压达到恒压点时，由于内阻的存在，电池的电动势并没有达到终止点，此时如果降低充电电流，电池的端电压就会下降，即可以继续充电。 2、串联充电均衡过程： 当电池组中有一只电池的电压达到恒压点时，适当减小充电电流，继续充电。重复以上过程，直至充电电流小于0.1C，充电结束。

     举例：1、假设电池组中有两只电池容量相同，由于自放电率等参数不同造成长期搁置后荷电量不同。 2、充电时，荷电量高的电池首先达到恒压点，减小电流后继续充电。根据锂离子电池的特性，当电池接近充满时，充电效率会下降。而此时低荷电量的电池还保持着较高的充电效率。到充电结束时，它们之间的差距就会减小一些，经过几个循环之后，其荷电量会趋于一致。

     假设两只电池的荷电量相同，但容量不同，根据上面相同的原理，经过多个充放循环后，两只电池充电结束时的荷电量都能接近100%. 证明：设电池U1的容量C1大于电池U2的容量C2，充电时电池U2首先达到恒压点，则电池U1的总体充电效率G1大于电池U2的效率G2（设二者初始容量都为0或同一起始点）。

     第一次充电结束时，电池U1的荷电量为 S1=（G1/G2）C2. 假设电池组放电到电池U2为0，然后充电。第二次充电结束时，电池U1的荷电量为S2=S1-C2+（G1/G2）C2.则有S2-S1=[（G1/G2）-1]C2， 由于G1>G2， 所以S2-S1>0，即S2>S1，可以得出结论：电池U1每充电后的荷电量总是大于自身前一次的荷电量。

      特点：1）可不基于SOC估算，算法简单；2）没有能量损失；3）没有增加附加的充放过程，不影响电池寿命；4）不增加硬件设备；5）电池工作在较理想的工作点上。

问题：如果电池组的荷电量相差很大，需要较长的时间才能均衡。

      成功案例：2005年国内某电池厂采用内均衡的BMS及充电机在河北香河“第一城”（国际会议中心）成功应用，八年来20辆游览观光车及配套充电机运行情况良好，电池在寿命期内无一损坏，用户反映良好！
      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，得到业界广泛的好评。

六、锂动力电池的“长寿命”是追求目标

      经过对上述几种均衡模式的认真比对，不难看出只有简便实用的内均衡方式最为符合电池组的成组特性。 
     大量的实践案例也进一步证明了BMS的内均衡方式既省去了繁杂且违背电池固有规律的某些做法的硬件成本，又降低了锂动力电池成组应用的运营成本：“限两头带中间”的科学管理策略，充分发挥锂动力电池充/放电平台特性，使得锂动力电池在保证“出厂一致性”的前提下，既保证了电池安全性，又可保证电池组的“循环寿命最大化”是BMS技术突破所追循的目标。

七、突破BMS瓶颈迎接新能源汽车之春

      纵观上述分析表明，BMS对锂动力电池的成组应用的作用还是非常有效的。合理应用BMS的科学管理手段将表现为：1.保障动力电池组在电动汽车上的安全性；2.合理控制电池充/放电“拐点”，有效解决电池成组差异性的“趋坏”、“失控”，甚至提前“到寿”的怪现象，尽力保证电池组的循环寿命。

      在此需要重点强调的是，决不可用BMS来“包治百病”，锂动力电池的出厂一致性是必须要保障的，只有在保证“电池出厂一致性”的标准前提下，加上BMS的科学管理手段的合理配合，在“电池拐点”允许的范围内合理利用电池的“平台特性”，才会使锂动力电池的成组应用的效果达到最佳，进而达到电动汽车所要求的寿命周期的要求。而那些所谓的超“拐点”使用，拼命求取“满充满放”的电池平衡办法对“电池循环寿命”及电池安全的不利影响会是显而易见的。

     我们并不否认电网、整车厂和电池厂的合作是当前新能源汽车规模化发展的关键环节，但锂动力电池成组技术应用一定是新能源汽车产业化之路的技术瓶颈，这项共性技术应用成果——BMS已经被业界所广泛认可。

    整车、锂动力电池、BMS三者之间的合理搭配才是新能源汽车走向产业化、规模化、市场化的正确之举，这是毋庸置疑的，也只有完成了BMS这一技术瓶颈的重大突破，新能源汽车的产业化春天才会真正到来，我们期待。

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