日前，中國電源工業(yè)協(xié)會常務(wù)副理事長方英民在接受媒體采訪時表示，鋰動力電池的使用壽命是制約新能源汽車發(fā)展的核心問題，只有實現(xiàn)了鋰動力電池的“長壽命”，才能迎來新能源汽車的春天。

新能源汽車與鋰動力電池

近年來，天氣問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，今年全國霧霾平均天數(shù)達(dá)到229天，創(chuàng)15年來之最。以北京為例，霧霾天數(shù)比往年更多，而且持續(xù)時間更長、更嚴(yán)重。隨著機(jī)動車保有量增多，尾氣排放所造成的空氣污染日益嚴(yán)重，據(jù)分析，傳統(tǒng)汽車已成為城市霧霾元兇。

傳統(tǒng)汽車面臨的石油危機(jī)，交通道路擁擠，汽車尾氣污染，大氣污染所造成的全球性溫室效應(yīng)等問題亟待解決。而新能源汽車以低碳，環(huán)保，節(jié)能著稱，成為近年來政府大力扶持的新興產(chǎn)業(yè)。

電動汽車不是新生事物。早在1834年，世界上就誕生了第一臺以不可充電電池為動力的電動汽車，它比汽油車早半個世紀(jì)。而隨著石油危機(jī)加劇和環(huán)境的日益惡化，電動汽車或?qū)⒋嫫蛙嚕蔀槲磥斫煌ǖ男纶厔荨?br/>
我們常說的電動車是廣義概念，包括電動自行車、低速車、HUV混合動力車，及真正的大巴車，電動車發(fā)展過程與動力電池技術(shù)緊密相關(guān)。而鋰動力電池自問世以來，相對于鉛酸電池而言，因其重量更輕、體積更小，循環(huán)壽命更長，可高倍率充電/放電等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為新能源汽車能量載體的首選。鋰動力電池是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

鋰電池的安全和壽命

目前，提到鋰電池，人們最擔(dān)心的是安全問題。如2013年的“波音787”鋰電池起火事件，國內(nèi)包括特拉斯在內(nèi)的多起電動車燃燒事故等。因此保證電動車的安全性是鋰電池應(yīng)用的必要條件。隨著技術(shù)的進(jìn)步和鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)的出臺，鋰電池的安全性已顯著提高。

相對于單鋰電池來講，鋰電池成組應(yīng)用是新能源汽車的關(guān)鍵。電池廠向用戶承諾的千磁以上的鋰電池循環(huán)壽命僅限于單體電池，而成組應(yīng)用時壽命往往會大打折扣。電動汽車的動力電池需要多只單電池的串并聯(lián)，單電池只要成組應(yīng)用，其“一致性趨減”的問題就凸顯出來。即使電池在出廠時一致性偏好的情況下，只要在電動汽車特有工況環(huán)境（電池在電動車的擺放位置不同、溫度場不同）下應(yīng)用一段時間，因電池組串并聯(lián)引起的電化學(xué)特性的改變就會顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致電池組中某一單體電池由于“過充電”或“過放電”等原因率先失效，影響電池成組的安全性和循環(huán)壽命。

因此，電池成組應(yīng)用“優(yōu)育”的前提是“優(yōu)生”——電池一致性?！梆B(yǎng)生”——電池均衡只適宜解決電池出廠前后差異化帶來的問題，并不治本。電池成組應(yīng)用的問題得不到解決，將會極大地“拖住”新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的前進(jìn)步伐。

電池拐點(diǎn)是否是關(guān)鍵環(huán)節(jié)

由于電池成組應(yīng)用問題是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)問題，一種采用電子線路來解決“電池電化學(xué)成組一致性特性變差”的辦法應(yīng)運(yùn)而生，業(yè)界稱之為電池管理系統(tǒng)（BMS）。

參照電池管理系統(tǒng)（BMS）原理框圖，中間綠色部分是BMS主控制模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊，絕緣檢測模塊，高壓控制模塊，彩屏控制模塊。中控制模塊只是一個檢測單元，并不等同于BMS。完整的BMS所起的作用包括與整車控制器、電機(jī)控制器、充電機(jī)接口、驅(qū)動電機(jī)、充電機(jī)相結(jié)合。

電池的安全問題主要是電池的“過充過放”問題。BMS首要解決的即是電池的“過充過放”問題。由于鋰電池的本身特性，鋰電池在充放電后期，充電或放電至90%-95%的電量的特性曲線，由此形成拐點(diǎn)現(xiàn)象，業(yè)界稱之為“電池拐點(diǎn)”。當(dāng)然，隨著電池本身的溫度或應(yīng)用環(huán)境溫度的不同，以及充放電電流的深度等因素，都會影響到拐點(diǎn)的形態(tài)。

以國內(nèi)某大型電池廠的一只180Ah磷酸亞鐵鋰鋰離子動力電池在國家某家重點(diǎn)實驗室進(jìn)行測試數(shù)據(jù)為例，在室溫下1/3C充放電的電壓曲線如圖1所示。充放電的電壓平臺都是3.35V左右，充電電壓兩個拐點(diǎn)是3.25V和3.45V，放電電壓兩個拐點(diǎn)是3.4V和3.1V。

BMS的管理特性主要是通過“限兩頭”和“電池拐點(diǎn)”來實現(xiàn)。通過控制充電機(jī)和電機(jī)控制器的管理手段，防止鋰電池的“過充電”和“過放電”，解決電池安全問題，業(yè)界簡稱為“限兩頭”。目前，利用電池電化學(xué)“拐點(diǎn)”特性，通過BMS合理管理可解決電池“長壽命”問題。經(jīng)過幾年的實踐，尤其是通過北京奧運(yùn)會和上海世博會期間BMS在電動車上的示范應(yīng)用，BMS已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。

目前，BMS規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨困境。其一是國內(nèi)鋰電池種類繁多，主流電池廠各自為戰(zhàn)，BMS很難形成針對不同電池的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其二是鋰電池處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，存在著生產(chǎn)工藝極不完善，生產(chǎn)設(shè)備自動化程度不高等因素，很難保證鋰電池出廠時的初始一致性。其三鋰電池與BMS之間的配套技術(shù)不成熟，BMS仍需大量重復(fù)性定制開發(fā)，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺并試行。

因此，面對鋰電池規(guī)模化生產(chǎn)的復(fù)雜現(xiàn)狀，解決“電池一致性問題”的各種均衡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

幾種電池均衡技術(shù)的比較

鋰電池應(yīng)用的主要問題是電池成組應(yīng)用問題。為解決“電池一致性問題”，業(yè)內(nèi)普遍使用電池均衡技術(shù)。目前，業(yè)界把主流電池均衡技術(shù)分為被動均衡法（能耗分流法），主動均衡法（動態(tài)均衡法），內(nèi)均衡法（自然均衡法）三種。

被動均衡法是通過放電均衡的辦法讓電池組內(nèi)的電池電壓趨于一致。在傳統(tǒng)能耗型BMS系統(tǒng)中，以被動均衡為主，采用單體電池并聯(lián)分流能耗電阻的方式，且只能在充電過程中做均衡工作，多余的能量被消耗到消耗電阻上，效率為零。同時，均衡電流很小，通常小于100mA，對大容量電池的作用可忽略不計，SOC估算精度也很低。

被動均衡法的特點(diǎn)是原理簡單，容易實現(xiàn)，當(dāng)均衡電流較小時，器件成本相對較低。但存在兩大問題：一是電阻能消耗放電，浪費(fèi)能量，產(chǎn)生熱量；二是由于放電電阻不可能選得太小，充電結(jié)束時，根據(jù)電池特性往往小容量電池的電壓最高，在靜態(tài)均衡時，放掉的恰恰是小容量電池的電量，反而加大了電池間的互差。

主動均衡法，是針對電池在使用過程中產(chǎn)生的容量個體，及自放電率產(chǎn)生的電壓差異進(jìn)行主動均衡。其主要功能是在電池組充電、放電或放置過程中，都可在電池組內(nèi)部對電池單體之間的差異性進(jìn)行主動均衡，以消除電池成組后由于自身和使用過程中產(chǎn)生的各種不一致性。

主動均衡法的主要特點(diǎn)有采用DC/CD雙向有源均衡電路，均衡效率高；充電、放電和靜態(tài)過程中都做均衡；平衡電流大，均衡速度較快。但也存在兩大問題：一是技術(shù)復(fù)雜，成本高，實現(xiàn)困難；二是頻繁切換均衡電路，對電池造成的傷害大，影響電池的壽命。

目前，無論是被動均衡技術(shù)還是主動均衡技術(shù)，都不能很好地解決問題。究其原因，目前普遍使用的充放電控制過程，是以固定的電壓作為充放電終止條件，而電池在工作過程中，其有效電壓范圍是隨著溫度、充放電流和循環(huán)周期等條件在不斷變化，因此，采用固定電壓控制充放電，極易造成電池的過充或過放。而溫度的變化會造成鋰電池內(nèi)部材料的老化，使電池過早劣化。雖然研究人員一直在探索并提出一些解決方案，并對電池進(jìn)行了建模和仿真，但算法過于復(fù)雜，不適合在電池管理系統(tǒng)的單片機(jī)上運(yùn)行。由于缺乏普遍性，需要對特定品牌和型號的電池進(jìn)行復(fù)雜的辨識和建模，在電池組的充電設(shè)備上不斷進(jìn)行改進(jìn)，以獲得更平穩(wěn)的充電電源，但作用仍然有限。

內(nèi)均衡法是利用BMS在對串聯(lián)電池充電的過程中，通過調(diào)節(jié)充電電流和控制充電電壓的拓?fù)渌惴?，使得電池組中各單體電池荷電量達(dá)到基本一致。

內(nèi)均衡技術(shù)的特點(diǎn)是算法簡單；沒有能量損失；沒有增加附加的充放電過程，不影響電池壽命；不增加硬件設(shè)備。但如果電池的荷電量相差很大，則需要較長的時間才能均衡。

近年來，BMS采用內(nèi)均衡的方法在國內(nèi)外80多家動力電池廠及不同車型的電動車廠家做過大量實際驗證，均取得了很好的應(yīng)用效果，得到業(yè)界廣泛好評。

通過三種均衡模式的對比，并經(jīng)過大量實踐案例證明，BMS“內(nèi)均衡技術(shù)”遵循了“電池拐點(diǎn)”理論，既省去了繁雜且違背電池固有規(guī)律做法的硬件成本，又降低了鋰電池成組應(yīng)用的運(yùn)營成本，得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。

突破BMS瓶頸實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

新能源汽車主要包括到電機(jī)、電池、電控三大部分。就其價格而言，電池價格占整車價格的一半，非常重要。電池工業(yè)歷經(jīng)了十多年的發(fā)展，主要是鋰電池行業(yè)，已積累了大量經(jīng)驗和技術(shù)。

鋰電池長壽命成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的追求目標(biāo)。只有在保證“電池出廠一致性”的標(biāo)準(zhǔn)前提下，配合以BMS的科學(xué)管理手段，在“電池拐點(diǎn)”允許的范圍內(nèi)，合理利用電池的充放電特性，才能保證電池組的“循環(huán)壽命最大化”。

目前，鋰電池成組管理技術(shù)難以突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，是制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最大障礙。只有實現(xiàn)整車（電機(jī)）、鋰電池、BMS（電控）三者之間的合理配合，才能實現(xiàn)新能源汽車走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?、市場化之路。