動力鋰電池系統(tǒng)集成關鍵技術和產(chǎn)品研究
摘要：動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化建設和規(guī)模化推廣應用階段。動力鋰電池系統(tǒng)集成關鍵技術和產(chǎn)品研究，是本階段的重要課題。本文介紹了基于極端單體電池成組應用技術的動力鋰電池系統(tǒng)集成關鍵技術、關鍵零部件和產(chǎn)品研究的最新進展。
關鍵詞：動力鋰電池；系統(tǒng)集成；極端單體
引言
在國家科技項目重點支持和市場的雙重推動下，新型鋰離子動力電池在關鍵技術、關鍵材料和產(chǎn)品研究上都取得了重大進展。單體動力鋰電池的性能已基本能夠滿足使用要求。雖然動力鋰電池采購成本仍高于鉛酸電池，但從全生命周期內(nèi)的綜合經(jīng)濟性考慮，其成本已經(jīng)遠遠低于鉛酸電池。動力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化建設和規(guī)?；茝V應用的歷史新階段。
由于前一階段動力鋰電池發(fā)展的重點集中在關鍵技術、關鍵材料和產(chǎn)品開發(fā)上，動力鋰電池成組應用技術并未得到相應的重視，致使動力鋰電池系統(tǒng)集成關鍵技術、關鍵零部件和產(chǎn)品研究嚴重滯后于電池技術的發(fā)展。當前大多仍將只能適用于鉛酸等非密封富液電池的技術和設備用于動力鋰電池，從而導致部分電池單體在充放電過程中發(fā)生過充電、過放電、過流和超溫等問題，使電池受到嚴重傷害，電池安全性大幅下降，使用壽命大幅縮短，甚至電池燃燒、爆炸等惡性事故時有發(fā)生。適應動力鋰電池特點的成組應用技術和設備，是有效解決成組動力鋰電池安全性下降和壽命縮短問題的有效途徑。
當前動力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化建設和規(guī)?；茝V應用的歷史新階段。動力鋰電池成組技術和成組應用技術和設備，是保障動力電池組安全運行的重要支撐條件。動力鋰電池系統(tǒng)主要包括電池總成、充電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)和維護管理系統(tǒng)。
1 研究背景
伴隨現(xiàn)代電力電子技術和控制技術的飛速發(fā)展，充電技術經(jīng)歷了兩階段恒流充電→多階段恒流充電→恒壓充電→恒壓限流充電幾個發(fā)展階段。充電設備也經(jīng)歷了真空管整流器和汞弧整流器→硒整流器→硅整流器→硅可控整流器→高頻開關電源充電機幾個階段。由于數(shù)字控制技術和計算機，特別是嵌入式微控制器技術的飛速發(fā)展，充電設備控制技術得到了快速發(fā)展，充電設備從手動調(diào)整迅速發(fā)展到高智能化的全自動充電設備。
動力鋰電池是與傳統(tǒng)鉛酸電池完全不同的一類電池，對充電和放電都有比鉛酸蓄電池嚴格得多的要求：根據(jù)美國U?S?A Popypore 理事會主席張正銘博士研究結果，錳酸鋰電池充電電壓應限制在4.225V~4.250V之內(nèi)，若超過0.085V，即可對電池造成傷害。過度的過充電、過放電、超溫和過流，將導致動力鋰電池使用壽命大幅縮短，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。
當前，國內(nèi)外動力電池廣泛采用基于S.O.C的安全管理技術，希望通過基于荷電狀態(tài)（即S.O.C）的估計，確定最佳的充電電流和放電電流，以達到電池組不發(fā)生過充電的目的。
為了防止發(fā)生過充電，應滿足：VBE + I?R0 ≤ 允許充電電壓??? （1）
為了防止發(fā)生過放電，應滿足：VBE - I?R0 ≥ 允許充電電壓??? （2）
式中：VBE ：電池電動勢
R0 ：電池內(nèi)阻
I：充電電流
上述思路忽略了一個重要問題：影響電池端電壓的主要因素是充放電電流（I）和內(nèi)阻（R0）。蓄電池允許的充電電流主要受電池內(nèi)阻的約束，而電池內(nèi)阻（R0）與容量（Ah）并無確定關系。同樣容量的電池內(nèi)阻（R0）相差也很大。因此，依據(jù)電池荷電狀態(tài)（S.O.C值）確定的電流，是不能防止發(fā)生過充電和過放電問題的發(fā)生的。即使依據(jù)特定電池組，在大量試驗的基礎上建立的相對較準確的S.O.C估計數(shù)學模型，也只能適應特定電池的特定時間段內(nèi)，不具備一般性和通用性。另外，由幾十到幾百只電池串聯(lián)而成的動力電池組，如何準確定位目標電池單體，確定內(nèi)阻本身就是個十分復雜的問題。
研究適應動力鋰電池特點的充放電新技術和新設備，是推動鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。
2 研究進展
機械科學研究總院先進制造技術研究中心，集成長期從事動力電池成組應用技術和設備研究經(jīng)驗，成功開發(fā)了適應鋰離子等新型動力電池特點的動力鋰電池系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)，簡稱BSMS（Battery Syntheses Management System）。
從2003年開始此系統(tǒng)便應用在北京奧運電動汽車示范項目中。經(jīng)過幾年實際應用的持續(xù)優(yōu)化、完善和提高，已經(jīng)形成了性能穩(wěn)定、安全可靠、功能完善的，適用于鋰離子等新型動力電池的新型動力蓄電池綜合管理系統(tǒng)。已經(jīng)形成了由8項專利、7個企業(yè)標準組成的完整體系。
2.1 BSMS基本結構
圖1 BSMS基本結構
如圖1所示，BSMS主要包括BMS、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)。還包括面向現(xiàn)場的質(zhì)量評估系統(tǒng)、電池租賃計量計費系統(tǒng)、S.O.C估計等輔助功能。
不同于現(xiàn)有的大多僅為監(jiān)測裝置的BMS（Battery Management System），BSMS不僅可實時跟蹤采集數(shù)據(jù)記錄，更能對充放電進行實時控制。在充放電管理過程中，采用了具有自主知識產(chǎn)權的“基于極端單體電池”充電技術，可有效防止發(fā)生部分電池過充電、過放電、超溫和過流問題，不僅能適應動力鋰電池，還可兼容多達6種不同類型電池的充放電管理。
2.2 BSMS管理系統(tǒng)
圖2 BSMS基本機構
BSMS中的主要技術單元之一是蓄電池管理系統(tǒng)（BMS），其顯著特點是，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的支撐下，嵌入BMS的遠程充電和放電控制模塊，與充放電裝置組成的充放電系統(tǒng)，采用基于極端單體電池充放電新技術，可有效防止發(fā)生動力鋰電池過充電、過放電、超溫和過流。在嵌入式數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)支撐下，功能強大的面向現(xiàn)場的電池總成質(zhì)量評估系統(tǒng)，為用戶提供技術先進的使用維護技術手段。其結構如圖2所示。
BMS還嵌入了高精度電能（KWh）計和用于電池租賃模式計量計費系統(tǒng)，如圖3。
圖3 計量卡、采集卡
嵌入BMS的數(shù)據(jù)自動采錄系統(tǒng)、大容量（FLASH）數(shù)據(jù)卡，和功能強大的數(shù)據(jù)處理平臺，構成了高性能面向用戶現(xiàn)場的動力電池總成質(zhì)量評估系統(tǒng)。
BMS具有以下特點：
?。?）為提高數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)的可靠性，采用了電池單體電壓數(shù)字采樣、溫度數(shù)字采樣和WDT采樣雙重安全冗余的技術措施。即使電壓采樣電路發(fā)生失調(diào)、失效，仍可確保電池單體監(jiān)測信息的安全性，有效的提高了充電和放電控制過程的安全性。
?。?）充電控制接口采用CAN總線、充電控制導引電路、充電控制接口和I/O接口。多種控制模式和控制系統(tǒng)組成的安全冗余充電控制系統(tǒng)，使BMS具有很高的充放電控制的安全性和可靠性。
?。?）為適應不同產(chǎn)品的需求，提供了多種配置方案，主要有：標準型、經(jīng)濟型、簡易型和專用型，如表1。
（4）智能化管理：在BMS支撐下，適用錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳氫、VRLA等多達六種電池的個性化智能充電控制，無須人工干涉，有效降低了因人工誤操作引發(fā)的事故發(fā)生。
表1 BMS的分類和系統(tǒng)配置
2.3 BSMS充放電管理
高安全性智能化充放電管理，是BSMS的獨特優(yōu)勢。
為適應不同用戶，提供了四種充放電控制系統(tǒng)配置方案，見表1。
其中，標準型（A），以同步數(shù)字采樣和CAN接口，作為基本充放電控制接口，還配置了充電控制導引電路、基于單體電池電壓反饋閉環(huán)充電控制接口。該配置具有很高的可靠性和安全性，適用于如電動汽車等高端應用領域。其數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)支持動力蓄電池遠程監(jiān)控和面向用戶現(xiàn)場的動力蓄電池質(zhì)量評估系統(tǒng)。
經(jīng)濟型（B），在標準型配置的基礎上，取消了數(shù)字采樣和CAN通訊接口?；趩误w電池電壓反饋閉環(huán)充電控制接口是本配置的基本充放電控制接口，與充電控制導引電路組成充放電安全冗余控制系統(tǒng)，同樣具有很高的安全性，性價比高，適用于如UPS、低配置電動車輛等一般應用領域。
簡易型（C），為適應對成本有嚴格要求，相對安全性容易控制的如電動自行車、便攜電源等，僅配置了基于單體電池通過I/O閉環(huán)的充放電控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟形（B）和簡易型（C）沒有數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)，不支持動力蓄電池遠程監(jiān)控和面向用戶現(xiàn)場的動力蓄電池質(zhì)量評估系統(tǒng)。
上述三種配置適用于循環(huán)充放電工作模式的動力電池系統(tǒng)。
第四種配置是專門為工作長期處于潺流充電模式的備用電池系統(tǒng)。在標準型配置基礎上增加了自主式自動均衡裝置，在長期潺流運行模式下，可自動均衡化處置，電池可在少維護模式下連續(xù)運行。
2.4 BSMS充放電技術
2.4.1基于端電壓的充放電管理技術
基于端電壓的現(xiàn)有充放電技術可簡單描述為：
充電端電壓??? UC? ≤∑E + ∑I?RX + ∑I?RO + ∑UJ???????? （3）
放電端電壓??? UC1? ≥∑E – (∑I?RX + ∑I?RO + ∑UJ )??? （4）
現(xiàn)有充放電技術特點是依據(jù)電池組端電壓調(diào)整充電電流。現(xiàn)有如恒流充電、多階段恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，以及由此衍生出的各種自動充電、智能化充電設備都屬于基于端電壓充放技術的類型。此類設備對電池不一致性適應特性極差，只能適用于普通鉛酸等富液類非密封電池的充電和放電，不能適應對均衡性要求很高的鋰離子等新型動力電池的要求。
圖4 充電過程中單體電池電壓狀態(tài)
圖4是102個動力鋰電池串聯(lián)的動力電池組充電過程中電池單體電壓狀態(tài)圖。在該狀態(tài)下，超過平均電壓的電池單體為37.3%，若按端電壓控制，則部分電池將發(fā)生嚴重過充電現(xiàn)象。
2.4.2 基于極端單體電池充放電控制技術
機械科學研究總院具有自主知識產(chǎn)權的基于極端單體電池成組應用技術和新型充放電設備，具有優(yōu)良的電池不一致性適應特征?；跇O端單體電池充電技術的核心即是優(yōu)先依據(jù)充放電過程中的極端電池單體狀態(tài)調(diào)整充放電電流，使其限制在允許狀態(tài)范圍內(nèi)，以保證無過充電、過放電、超溫和過流問題發(fā)生，從而保證蓄電池系統(tǒng)安全運行?；跇O端單體電池充放電控制方法可簡單描述為：
??Ucd ≤ Umax???? ??I ≤Imax?????? ??T ≤ Tmax??????? ??UC ≤ Umax????? （5）
式中：Ucd?? 單體電池端電壓
? Umax?? 電梯電池額定充電電壓
? I?? 充電電流
? Imax 電池最大允許充電電流
? T?? 最高溫度
? Tmax 最高允許溫度
???UC? 電池組端電壓
? Umax 最高允許充電端電壓
基于極端單體電池充放電技術控制策略遵循以下優(yōu)先級：
最高優(yōu)先級： 最高電池單體端電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)；
第二優(yōu)先級： 電池組端電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)；
第三優(yōu)先級： 最高溫度應小于或等于最高允許溫度；
最低優(yōu)先級： 充電電流應小于或等于允許充電電流；
基于極端單體電池充放電控制技術的成功研究，為研制鋰離子等新型動力電池用新一代充放電設備奠定了基礎。該技術經(jīng)過不斷優(yōu)化、完善和提高后，現(xiàn)已具備工程應用的成熟程度。
2.5 面向現(xiàn)場的動力蓄電池系統(tǒng)質(zhì)量評估
動力鋰電池的應用必然涉及普通終端用戶。而動力鋰電池系統(tǒng)結構復雜，技術要求高，對電池的使用維護提出了更高的要求?，F(xiàn)有動力電池試驗設備大多是面向科研院所，大中型企業(yè)的生產(chǎn)過程需要而設計的，價格昂貴，使用復雜，對操作人員技術素質(zhì)要求很高。適用于用戶現(xiàn)場的動力鋰電池質(zhì)量評估系統(tǒng)，是動力鋰電池規(guī)?；茝V應用中必須解決的維護管理基礎支撐技術條件。
機械科學研究總院以終端用戶電池維護管理需求為目標，研制成功了面向用戶現(xiàn)場的動力蓄電池系統(tǒng)質(zhì)量評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入蓄電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)為支撐，采用功能強大的數(shù)據(jù)處理平臺，組成了成本低廉，操作簡便，適用于終端用戶的動力蓄電池質(zhì)量評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對電池總成的性能，充、放電系統(tǒng)與電池總成性能匹配情況等進行快速評估，為用戶提供可靠的維護管理數(shù)據(jù)支持，并提供了多達8種算法的電池配組工具。
由于該系統(tǒng)充分利用用戶動力電池系統(tǒng)實際運行工況中的自動數(shù)據(jù)采錄，無需價格昂貴的充放電設備和工況模擬設備，具有非常好的性價比。系統(tǒng)結構如圖5。
圖5 面向現(xiàn)場的動力蓄電池總成質(zhì)量評估系統(tǒng)
與靜態(tài)采樣取得的電壓值不同，BSMS系統(tǒng)在用戶系統(tǒng)運行工況下采錄的電池電壓數(shù)據(jù)，實質(zhì)上已是反映在實際工況條件下的電池單體電動勢、內(nèi)阻、電氣連接、荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度等多種復雜的已知和未知的相關因素的綜合特征的特征參數(shù)。用戶使用維護工作中，無須對相關因素進行具體解析。具體解析相關因素反而會產(chǎn)生難以估量的誤差。直接使用這些特征參數(shù)對電池系統(tǒng)進行評估和分組，反而具有最高的精度和可信度。
采用電池組特征參數(shù)的相對極差和相對標準差，對電池組的均衡性（包括電動勢、內(nèi)阻、電氣連接、荷電狀態(tài)等對電池性能產(chǎn)生影響的全部因素）評估，即可準確評估電池系統(tǒng)性能與用戶實際運行工況的符合性。同時，在實際工況條件下自動采集得到各電池單體數(shù)據(jù)、同一電池系統(tǒng)不同時段的數(shù)據(jù)以及各電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都具有良好的可比性和可重現(xiàn)性。為電池系統(tǒng)橫向和縱向的質(zhì)量評估的可比性奠定了數(shù)據(jù)源基礎。
該系統(tǒng)的研制成功，為用戶提供了一套用于日常管理的超低成本動力電池系統(tǒng)質(zhì)量評估工具，是電池和充放電設備選型和維護的依據(jù)。
2.6動力鋰電池分組試驗系統(tǒng)
圖6 動力鋰電池分組試驗系統(tǒng)結構圖
該系統(tǒng)主要用于動力鋰電池生產(chǎn)和使用過程中的充電試驗、放電實驗、充電工況模擬、放電工況模擬，根據(jù)所采集的特征數(shù)據(jù)對動力鋰電池進行分組匹配。
該系統(tǒng)結構如圖6，包括三種模式：智能充放電模式、分組控制模式、工況控制模式。提供線性分組和非線性分組版本，其中線性分組具有9種分組方法可供選擇。
動力鋰電池分組試驗系統(tǒng)，采用“基于極端單體電池”充放電控制技術，可對充放電進行有效安全控制，結合BSMS先進的數(shù)據(jù)采集方法和具有獨特的數(shù)據(jù)分組處理平臺功能的面向現(xiàn)場的動力鋰電池分組試驗系統(tǒng)，通過模擬實際工況條件下的電池充放電情況，可將待分組電池分選匹配成具有良好一致性的多組電池，為電池生產(chǎn)商提供了解決電池不一致性的最新方案。
如圖7（a）為108支電池在運行中的狀態(tài)，圖7（b）即按0.5%誤差曲線分組后的情況。電池被分為了三組：其中A類電池共41只、B類電池共3只，C類電池1只。
圖7（a）分組前電池情況
圖7（b）分組后電池情況
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?。?）從全生命周期考量，動力鋰電池的使用壽命已經(jīng)低于普通鉛酸電池。動力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化建設和規(guī)?；茝V應用的歷史新階段。動力鋰電池成組應用技術和設備研究是當前動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。
?。?）動力鋰電池系統(tǒng)關鍵技術、關鍵設備和產(chǎn)品研究進程，直接關系到動力鋰電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的大局。
（3）“基于極端電池單體”的充放電控制技術的研究成功，為新型動力鋰電池系統(tǒng)和新一代充放電設備的研制，奠定了重要的技術基礎。
?。?） SBCM動力電池綜合管理系統(tǒng)的研究成功，為動力鋰電池系統(tǒng)集成技術的發(fā)展奠定了重要的基礎。采用SBCM實現(xiàn)的動力鋰電池系統(tǒng)，不會發(fā)生過充電、過放電、超溫和過流問題，為動力鋰電池系統(tǒng)安全運行提供了最佳解決方案。
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作者簡介：
錢良國出生于1949年，高級工程師，現(xiàn)任機械科學研究總院先進制造技術中心電動汽車電源技術研究所所長，中國電子商會電源專業(yè)委員會常務理事、北京電源協(xié)會常務理事，中國汽車工程學會電動汽車分會會員?！痘瘜W與物理電源系統(tǒng)》雜志編委，國家電源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃信息員。從1986年起，一直從事新型動力蓄電池應用技術和設備研究。先后組建負責組建第二炮兵（寶雞）充電技術研究所、第二炮兵（北京）充電技術研究所，任所長兼總工。長期從事從事軍隊和地方動力蓄電池應用研究和設備開發(fā)。先后承擔了“九五”、“十五”、“十一五”軍隊和國家“863”電動汽車專項相關課題。自十五起，研究的重點方向是動力鋰電池充電、放電、面向現(xiàn)場的質(zhì)量評估和維護等成組應用技術技術，取得多項技術專利和科研成果。
郝永超：機械科學研究總院先進制造技術研究中心電動汽車電源技術研究所所長助理。先后參與了國家“十五”“十一五”“863”電動汽車重大專項、北京科技奧運項目等項目的研究開發(fā)工作，主要從事動力電池充電關鍵技術和設備的開發(fā)工作，特別是在動力電池充電設備、蓄電池管理系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)的研究。
肖亞玲：畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，工作于機械科學研究總院先進制造技術研究中心電動汽車電源技術研究所，中國電子商會電源專業(yè)委員會動力電源系統(tǒng)工作委員會秘書處辦公室主任。主要從事動力鋰電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及系統(tǒng)集成技術研究。