动力锂电池体系集成要害技能和产品研讨
摘要：动力锂电池工业开展现已进入工业化建造和规模化推广运用阶段。动力锂电池体系集成要害技能和产品研讨，是本阶段的重要课题。本文介绍了依据极点单体电池成组运用技能的动力锂电池体系集成要害技能、要害零部件和产品研讨的最新进展。
要害词：动力锂电池；体系集成；极点单体
导言
在国家科技项目要点支撑和商场的两层推进下，新式锂离子动力电池在要害技能、要害资料和产品研讨上都获得了严重进展。单体动力锂电池的功用已根本可以满意运用要求。尽管动力锂电池收购本钱仍高于铅酸电池，但从全生命周期内的归纳经济性考虑，其本钱现已远远低于铅酸电池。动力锂电池工业现已进入工业化建造和规模化推广运用的前史新阶段。
因为前一阶段动力锂电池开展的要点会集在要害技能、要害资料和产品开发上，动力锂电池成组运用技能并未得到相应的注重，致使动力锂电池体系集成要害技能、要害零部件和产品研讨严峻滞后于电池技能的开展。当时大多仍将只能适用于铅酸等非密封富液电池的技能和设备用于动力锂电池，然后导致部分电池单体在充放电进程中发作过充电、过放电、过流和超温等问题，使电池遭到严峻损伤，电池安全性大幅下降，运用寿数大幅缩短，乃至电池焚烧、爆破等恶性事端时有发作。习惯动力锂电池特色的成组运用技能和设备，是有用处理成组动力锂电池安全性下降和寿数缩短问题的有用途径。
当时动力锂电池工业现已进入工业化建造和规模化推广运用的前史新阶段。动力锂电池成组技能和成组运用技能和设备，是确保动力电池组安全运转的重要支撑条件。动力锂电池体系首要包含电池总成、充电体系、用电体系和保护办理体系。
1 研讨布景
随同现代电力电子技能和操控技能的飞速开展，充电技能阅历了两阶段恒流充电→多阶段恒流充电→恒压充电→恒压限流充电几个开展阶段。充电设备也阅历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→高频开关电源充电机几个阶段。因为数字操控技能和计算机，特别是嵌入式微操控器技能的飞速开展，充电设备操控技能得到了快速开展，充电设备从手动调整敏捷开展到高智能化的全主动充电设备。
动力锂电池是与传统铅酸电池彻底不同的一类电池，对充电和放电都有比铅酸蓄电池严厉得多的要求：依据美国U?S?A Popypore 理事会主席张正铭博士研讨结果，锰酸锂电池充电电压应束缚在4.225V~4.250V之内，若超越0.085V，即可对电池形成损伤。过度的过充电、过放电、超温文过流，将导致动力锂电池运用寿数大幅缩短，乃至发作焚烧、爆破等恶性事端。
当时，国内外动力电池广泛选用依据S.O.C的安全办理技能，期望经过依据荷电状况（即S.O.C）的估计，确认最佳的充电电流和放电电流，以到达电池组不发作过充电的意图。
为了避免发作过充电，应满意：VBE + I?R0 ≤ 答应充电电压 （1）
为了避免发作过放电，应满意：VBE – I?R0 ≥ 答应充电电压 （2）
式中：VBE ：电池电动势
R0 ：电池内阻
I：充电电流
上述思路疏忽了一个重要问题：影响电池端电压的首要要素是充放电电流（I）和内阻（R0）。蓄电池答应的充电电流首要受电池内阻的束缚，而电池内阻（R0）与容量（Ah）并无确认联系。相同容量的电池内阻（R0）相差也很大。因而，依据电池荷电状况（S.O.C值）确认的电流，是不能避免发作过充电和过放电问题的发作的。即便依据特定电池组，在很多实验的根底上树立的相对较精确的S.O.C估计数学模型，也只能习惯特定电池的特定时间段内，不具有一般性和通用性。别的，由几十到几百只电池串联而成的动力电池组，怎么精确认位方针电池单体，确认内阻自身便是个十分杂乱的问题。
研讨习惯动力锂电池特色的充放电新技能和新设备，是推进锂电池工业开展的重要课题。
2 研讨进展
机械科学研讨总院先进制作技能研讨中心，集成长时间从事动力电池成组运用技能和设备研讨经历，成功开发了习惯锂离子等新式动力电池特色的动力锂电池体系归纳办理体系，简称BSMS（Battery Syntheses Management System）。
从2003年开端此体系便运用在北京奥运电动汽车演示项目中。经过几年实践运用的继续优化、完善和进步，现已形成了功用安稳、安全牢靠、功用完善的，适用于锂离子等新式动力电池的新式动力蓄电池归纳办理体系。现已形成了由8项专利、7个企业规范组成的完好体系。
2.1 BSMS根本结构
图1 BSMS根本结构
如图1所示，BSMS首要包含BMS、充电体系、放电体系。还包含面向现场的质量评价体系、电池租借计量计费体系、S.O.C估计等辅佐功用。
不同于现有的大多仅为监测设备的BMS（Battery Management System），BSMS不仅可实时盯梢收集数据记载，更能对充放电进行实时操控。在充放电办理进程中，选用了具有自主知识产权的“依据极点单体电池”充电技能，可有用避免发作部分电池过充电、过放电、超温文过流问题，不仅能习惯动力锂电池，还可兼容多达6种不同类型电池的充放电办理。
2.2 BSMS办理体系
图2 BSMS根本组织
BSMS中的首要技能单元之一是蓄电池办理体系（BMS），其明显特色是，在数据收集体系的支撑下，嵌入BMS的长途充电和放电操控模块，与充放电设备组成的充放电体系，选用依据极点单体电池充放电新技能，可有用避免发作动力锂电池过充电、过放电、超温文过流。在嵌入式数据采录体系支撑下，功用强大的面向现场的电池总成质量评价体系，为用户供给技能先进的运用保护技能手段。其结构如图2所示。
BMS还嵌入了高精度电能（KWh）计和用于电池租借形式计量计费体系，如图3。
图3 计量卡、收集卡
嵌入BMS的数据主动采录体系、大容量（FLASH）数据卡，和功用强大的数据处理渠道，构成了高功用面向用户现场的动力电池总成质量评价体系。
BMS具有以下特色：
（1）为进步数据采录体系的牢靠性，选用了电池单体电压数字采样、温度数字采样和WDT采样两层安全冗余的技能措施。即便电压采样电路发作失调、失效，仍可确保电池单体监测信息的安全性，有用的进步了充电和放电操控进程的安全性。
（2）充电操控接口选用CAN总线、充电操控扶引电路、充电操控接口和I/O接口。多种操控形式和操控体系组成的安全冗余充电操控体系，使BMS具有很高的充放电操控的安全性和牢靠性。
（3）为习惯不同产品的需求，供给了多种装备计划，首要有：规范型、经济型、简易型和专用型，如表1。
（4）智能化办理：在BMS支撑下，适用锰酸锂、磷酸铁锂、镍氢、VRLA等多达六种电池的个性化智能充电操控，无须人工干与，有用降低了因人工误操作引发的事端发作。
表1 BMS的分类和体系装备
2.3 BSMS充放电办理
高安全性智能化充放电办理，是BSMS的共同优势。
为习惯不同用户，供给了四种充放电操控体系装备计划，见表1。
其间，规范型（A），以同步数字采样和CAN接口，作为根本充放电操控接口，还装备了充电操控扶引电路、依据单体电池电压反应闭环充电操控接口。该装备具有很高的牢靠性和安全性，适用于如电动汽车等高端运用领域。其数据采录体系支撑动力蓄电池长途监控和面向用户现场的动力蓄电池质量评价体系。
经济型（B），在规范型装备的根底上，取消了数字采样和CAN通讯接口。依据单体电池电压反应闭环充电操控接口是本装备的根本充放电操控接口，与充电操控扶引电路组成充放电安全冗余操控体系，相同具有很高的安全性，性价比高，适用于如UPS、低装备电动车辆等一般运用领域。
简易型（C），为习惯对本钱有严厉要求，相对安全性简略操控的如电动自行车、便携电源等，仅装备了依据单体电池经过I/O闭环的充放电操控体系。
经济形（B）和简易型（C）没有数据采录体系，不支撑动力蓄电池长途监控和面向用户现场的动力蓄电池质量评价体系。
上述三种装备适用于循环充放电作业形式的动力电池体系。
第四种装备是专门为作业长时间处于潺流充电形式的备用电池体系。在规范型装备根底上增加了自主式主动均衡设备，在长时间潺流运转形式下，可主动均衡化处置，电池可在少保护形式下接连运转。
2.4 BSMS充放电技能
2.4.1依据端电压的充放电办理技能
依据端电压的现有充放电技能可简略描绘为：
充电端电压 UC ≤∑E + ∑I?RX + ∑I?RO + ∑UJ （3）
放电端电压 UC1 ≥∑E – (∑I?RX + ∑I?RO + ∑UJ ) （4）
现有充放电技能特色是依据电池组端电压调整充电电流。现有如恒流充电、多阶段恒流充电、恒压充电、恒压限流充电，以及由此衍生出的各种主动充电、智能化充电设备都归于依据端电压充放技能的类型。此类设备对电池不一致性习惯特性极差，只能适用于一般铅酸等富液类非密封电池的充电和放电，不能习惯对均衡性要求很高的锂离子等新式动力电池的要求。
图4 充电进程中单体电池电压状况
图4是102个动力锂电池串联的动力电池组充电进程中电池单体电压状况图。在该状况下，超越均匀电压的电池单体为37.3%，若按端电压操控，则部分电池将发作严峻过充电现象。
2.4.2 依据极点单体电池充放电操控技能
机械科学研讨总院具有自主知识产权的依据极点单体电池成组运用技能和新式充放电设备，具有优秀的电池不一致性习惯特征。依据极点单体电池充电技能的中心便是优先依据充放电进程中的极点电池单体状况调整充放电电流，使其束缚在答应状况范围内，以确保无过充电、过放电、超温文过流问题发作，然后确保蓄电池体系安全运转。依据极点单体电池充放电操控办法可简略描绘为：
Ucd ≤ Umax I ≤Imax T ≤ Tmax UC ≤ Umax （5）
式中：Ucd 单体电池端电压
Umax 电梯电池额外充电电压
I 充电电流
Imax 电池最大答应充电电流
T 最高温度
Tmax 最高答应温度
UC 电池组端电压
Umax 最高答应充电端电压
依据极点单体电池充放电技能操控战略遵从以下优先级：
最高优先级： 最高电池单体端电压操控在规则范围内；
第二优先级： 电池组端电压操控在规则范围内；
第三优先级： 最高温度应小于或等于最高答应温度；
最低优先级： 充电电流应小于或等于答应充电电流；
依据极点单体电池充放电操控技能的成功研讨，为研发锂离子等新式动力电池用新一代充放电设备奠定了根底。该技能经过不断优化、完善和进步后，现已具有工程运用的老练程度。
2.5 面向现场的动力蓄电池体系质量评价
动力锂电池的运用必定触及一般终端用户。而动力锂电池体系结构杂乱，技能要求高，对电池的运用保护提出了更高的要求。现有动力电池实验设备大多是面向科研院所，大中型企业的出产进程需求而规划的，价格昂贵，运用杂乱，对操作人员技能本质要求很高。适用于用户现场的动力锂电池质量评价体系，是动力锂电池规模化推广运用中有必要处理的保护办理根底支撑技能条件。
机械科学研讨总院以终端用户电池保护办理需求为方针，研发成功了面向用户现场的动力蓄电池体系质量评价体系。该体系以嵌入蓄电池办理体系的数据采录体系为支撑，选用功用强大的数据处理渠道，组成了本钱低价，操作简洁，适用于终端用户的动力蓄电池质量评价体系。该体系可以对电池总成的功用，充、放电体系与电池总成功用匹配状况等进行快速评价，为用户供给牢靠的保护办理数据支撑，并供给了多达8种算法的电池配组东西。
因为该体系充分利用用户动力电池体系实践运转工况中的主动数据采录，无需价格昂贵的充放电设备和工况模仿设备，具有非常好的性价比。体系结构如图5。
图5 面向现场的动力蓄电池总成质量评价体系
与静态采样获得的电压值不同，BSMS体系在用户体系运转工况下采录的电池电压数据，实质上已是反映在实践工况条件下的电池单体电动势、内阻、电气衔接、荷电状况、环境温度等多种杂乱的已知和不知道的相关要素的归纳特征的特征参数。用户运用保护作业中，无须对相关要素进行详细解析。详细解析相关要素反而会发生难以估计的差错。直接运用这些特征参数对电池体系进行评价和分组，反而具有最高的精度和可信度。
选用电池组特征参数的相对极差和相对规范差，对电池组的均衡性（包含电动势、内阻、电气衔接、荷电状况等对电池功用发生影响的悉数要素）评价，即可精确评价电池体系功用与用户实践运转工况的契合性。一起，在实践工况条件下主动收集得到各电池单体数据、同一电池体系不一起段的数据以及各电池体系的数据都具有杰出的可比性和可重现性。为电池体系横向和纵向的质量评价的可比性奠定了数据源根底。
该体系的研发成功，为用户供给了一套用于日常办理的超低本钱动力电池体系质量评价东西，是电池和充放电设备选型和保护的依据。
2.6动力锂电池分组实验体系
图6 动力锂电池分组实验体系结构图
该体系首要用于动力锂电池出产和运用进程中的充电实验、放电实验、充电工况模仿、放电工况模仿，依据所收集的特征数据对动力锂电池进行分组匹配。
该体系结构如图6，包含三种形式：智能充放电形式、分组操控形式、工况操控形式。供给线性分组和非线性分组版别，其间线性分组具有9种分组办法可供挑选。
动力锂电池分组实验体系，选用“依据极点单体电池”充放电操控技能，可对充放电进行有用安全操控，结合BSMS先进的数据收集办法和具有共同的数据分组处理渠道功用的面向现场的动力锂电池分组实验体系，经过模仿实践工况条件下的电池充放电状况，可将待分组电池分选匹配成具有杰出一致性的多组电池，为电池出产商供给了处理电池不一致性的最新计划。
如图7（a）为108支电池在运转中的状况，图7（b）即按0.5%差错曲线分组后的状况。电池被分为了三组：其间A类电池共41只、B类电池共3只，C类电池1只。
图7（a）分组前电池状况
图7（b）分组后电池状况
（1）从全生命周期考量，动力锂电池的运用寿数现已低于一般铅酸电池。动力锂电池工业现已进入工业化建造和规模化推广运用的前史新阶段。动力锂电池成组运用技能和设备研讨是当时动力锂电池工业开展的重要课题。
（2）动力锂电池体系要害技能、要害设备和产品研讨进程，直接联系到动力锂电池工业继续开展的全局。
（3）“依据极点电池单体”的充放电操控技能的研讨成功，为新式动力锂电池体系和新一代充放电设备的研发，奠定了重要的技能根底。
（4） SBCM动力电池归纳办理体系的研讨成功，为动力锂电池体系集成技能的开展奠定了重要的根底。选用SBCM完成的动力锂电池体系，不会发作过充电、过放电、超温文过流问题，为动力锂电池体系安全运转供给了最佳处理计划。
作者简介：
钱良国出生于1949年，高级工程师，现任机械科学研讨总院先进制作技能中心电动汽车电源技能研讨所所长，我国电子商会电源专业委员会常务理事、北京电源协会常务理事，我国汽车工程学会电动汽车分会会员。《化学与物理电源体系》杂志编委，国家电源工业开展规划信息员。从1986年起，一向从事新式动力蓄电池运用技能和设备研讨。先后组成担任组成第二炮兵（宝鸡）充电技能研讨所、第二炮兵（北京）充电技能研讨所，任所长兼总工。长时间从事从事戎行和当地动力蓄电池运用研讨和设备开发。先后承当了“九五”、“十五”、“十一五”戎行和国家“863”电动汽车专项相关课题。自十五起，研讨的要点方向是动力锂电池充电、放电、面向现场的质量评价和保护等成组运用技能技能，获得多项技能专利和科研成果。
郝永超：机械科学研讨总院先进制作技能研讨中心电动汽车电源技能研讨所所长助理。先后参加了国家“十五”“十一五”“863”电动汽车严重专项、北京科技奥运项目等项意图研讨开发作业，首要从事动力电池充电要害技能和设备的开发作业，特别是在动力电池充电设备、蓄电池办理体系以及监控体系的研讨。
肖亚玲：结业于我国农业大学信息与电气工程学院，作业于机械科学研讨总院先进制作技能研讨中心电动汽车电源技能研讨所，我国电子商会电源专业委员会动力电源体系作业委员会秘书处工作室主任。首要从事动力锂电池办理体系、监控体系及体系集成技能研讨。
