動力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)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(shè)和規(guī)?；茝V應(yīng)用階段。動力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用技術(shù)的動力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件和產(chǎn)品研究的最新進展。
關(guān)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(guān)鍵技術(shù)、關(guān)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)和規(guī)?；茝V應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品開發(fā)上，動力鋰電池成組應(yīng)用技術(shù)并未得到相應(yīng)的重視，致使動力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件和產(chǎn)品研究嚴(yán)重滯后于電池技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前大多仍將只能適用于鉛酸等非密封富液電池的技術(shù)和設(shè)備用于動力鋰電池，從而導(dǎo)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(yán)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(yīng)動力鋰電池特點的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)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(dāng)前動力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化建設(shè)和規(guī)?；茝V應(yīng)用的歷史新階段。動力鋰電池成組技術(shù)和成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)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(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，充電技術(shù)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(shè)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(guān)電源充電機幾個階段。由于數(shù)字控制技術(shù)和計算機，特別是嵌入式微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，充電設(shè)備控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，充電設(shè)備從手動調(diào)整迅速發(fā)展到高智能化的全自動充電設(shè)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(yán)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(jié)果，錳酸鋰電池充電電壓應(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(shù)，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(dá)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(yīng)滿足：VBE + I?R0 ≤ 允許充電電壓??? （1）
為了防止發(fā)生過放電，應(yīng)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(guān)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(chǔ)上建立的相對較準(zhǔn)確的S.O.C估計數(shù)學(xué)模型，也只能適應(yīng)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(zhǔn)確定位目標(biāo)電池單體，確定內(nèi)阻本身就是個十分復(fù)雜的問題。
研究適應(yīng)動力鋰電池特點的充放電新技術(shù)和新設(shè)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(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心，集成長期從事動力電池成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究經(jīng)驗，成功開發(fā)了適應(yīng)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(yīng)用在北京奧運電動汽車示范項目中。經(jīng)過幾年實際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)組成的完整體系。
2.1 BSMS基本結(jié)構(gòu)
圖1 BSMS基本結(jié)構(gòu)
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(quán)的“基于極端單體電池”充電技術(shù)，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(yīng)動力鋰電池，還可兼容多達(dá)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(gòu)
BSMS中的主要技術(shù)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(yuǎn)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(shù)，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(shù)先進的使用維護技術(shù)手段。其結(jié)構(gòu)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(gòu)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：
（1）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(shù)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(dǎo)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(yīng)不同產(chǎn)品的需求，提供了多種配置方案，主要有：標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域。其數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)支持動力蓄電池遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)型配置的基礎(chǔ)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(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域。
簡易型（C），為適應(yīng)對成本有嚴(yán)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)型配置基礎(chǔ)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(shù)
2.4.1基于端電壓的充放電管理技術(shù)
基于端電壓的現(xiàn)有充放電技術(shù)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(shù)特點是依據(jù)電池組端電壓調(diào)整充電電流?，F(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(shè)備都屬于基于端電壓充放技術(shù)的類型。此類設(shè)備對電池不一致性適應(yīng)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(yīng)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(yán)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(shù)
機械科學(xué)研究總院具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于極端單體電池成組應(yīng)用技術(shù)和新型充放電設(shè)備，具有優(yōu)良的電池不一致性適應(yīng)特征?；跇O端單體電池充電技術(shù)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。基于極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(shù)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(yīng)小于或等于最高允許溫度；
最低優(yōu)先級： 充電電流應(yīng)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(shù)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(shè)備奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)經(jīng)過不斷優(yōu)化、完善和提高后，現(xiàn)已具備工程應(yīng)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(yīng)用必然涉及普通終端用戶。而動力鋰電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)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(shè)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(shè)計的，價格昂貴，使用復(fù)雜，對操作人員技術(shù)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(yīng)用中必須解決的維護管理基礎(chǔ)支撐技術(shù)條件。
機械科學(xué)研究總院以終端用戶電池維護管理需求為目標(biāo)，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(dá)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(shè)備和工況模擬設(shè)備，具有非常好的性價比。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fù)雜的已知和未知的相關(guān)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(guān)因素進行具體解析。具體解析相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(chǔ)。
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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)，可對充放電進行有效安全控制，結(jié)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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（1）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(shè)和規(guī)?；茝V應(yīng)用的歷史新階段。動力鋰電池成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究是當(dāng)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(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)品研究進程，直接關(guān)系到動力鋰電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的大局。
?。?）“基于極端電池單體”的充放電控制技術(shù)的研究成功，為新型動力鋰電池系統(tǒng)和新一代充放電設(shè)備的研制，奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
?。?） 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(shù)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。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(xué)研究總院先進制造技術(shù)中心電動汽車電源技術(shù)研究所所長，中國電子商會電源專業(yè)委員會常務(wù)理事、北京電源協(xié)會常務(wù)理事，中國汽車工程學(xué)會電動汽車分會會員?！痘瘜W(xué)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(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究。先后組建負(fù)責(zé)組建第二炮兵（寶雞）充電技術(shù)研究所、第二炮兵（北京）充電技術(shù)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(yīng)用研究和設(shè)備開發(fā)。先后承擔(dān)了“九五”、“十五”、“十一五”軍隊和國家“863”電動汽車專項相關(guān)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(yīng)用技術(shù)技術(shù)，取得多項技術(shù)專利和科研成果。
郝永超：機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心電動汽車電源技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)工作，特別是在動力電池充電設(shè)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(xué)信息與電氣工程學(xué)院，工作于機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心電動汽車電源技術(shù)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(shù)研究。