日前，中國(guó)電源工業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)方英民在接受媒體采訪時(shí)表示，鋰動(dòng)力電池的使用壽命是制約新能源汽車發(fā)展的核心問(wèn)題，只有實(shí)現(xiàn)了鋰動(dòng)力電池的“長(zhǎng)壽命”，才能迎來(lái)新能源汽車的春天。

新能源汽車與鋰動(dòng)力電池

近年來(lái)，天氣問(wèn)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(guó)霧霾平均天數(shù)達(dá)到229天，創(chuàng)15年來(lái)之最。以北京為例，霧霾天數(shù)比往年更多，而且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、更嚴(yán)重。隨著機(jī)動(dòng)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(wèn)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(lái)政府大力扶持的新興產(chǎn)業(yè)。

電動(dòng)汽車不是新生事物。早在1834年，世界上就誕生了第一臺(tái)以不可充電電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車，它比汽油車早半個(gè)世紀(jì)。而隨著石油危機(jī)加劇和環(huán)境的日益惡化，電動(dòng)汽車或?qū)⒋嫫蛙嚕蔀槲磥?lái)交通的新趨勢(shì)。

我們常說(shuō)的電動(dòng)車是廣義概念，包括電動(dòng)自行車、低速車、HUV混合動(dòng)力車，及真正的大巴車，電動(dòng)車發(fā)展過(guò)程與動(dòng)力電池技術(shù)緊密相關(guān)。而鋰動(dòng)力電池自問(wèn)世以來(lái)，相對(duì)于鉛酸電池而言，因其重量更輕、體積更小，循環(huán)壽命更長(zhǎng)，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(dòng)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(wèn)題。如2013年的“波音787”鋰電池起火事件，國(guó)內(nèi)包括特拉斯在內(nèi)的多起電動(dòng)車燃燒事故等。因此保證電動(dòng)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(tái)，鋰電池的安全性已顯著提高。

相對(duì)于單鋰電池來(lái)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(shí)壽命往往會(huì)大打折扣。電動(dòng)汽車的動(dòng)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(wèn)題就凸顯出來(lái)。即使電池在出廠時(shí)一致性偏好的情況下，只要在電動(dòng)汽車特有工況環(huán)境（電池在電動(dòng)車的擺放位置不同、溫度場(chǎng)不同）下應(yīng)用一段時(shí)間，因電池組串并聯(lián)引起的電化學(xué)特性的改變就會(huì)顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致電池組中某一單體電池由于“過(guò)充電”或“過(guò)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。“養(yǎng)生”——電池均衡只適宜解決電池出廠前后差異化帶來(lái)的問(wèn)題，并不治本。電池成組應(yīng)用的問(wèn)題得不到解決，將會(huì)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(wèn)題是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)問(wèn)題，一種采用電子線路來(lái)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(cè)模塊，高壓控制模塊，彩屏控制模塊。中控制模塊只是一個(gè)檢測(cè)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(dòng)電機(jī)、充電機(jī)相結(jié)合。

電池的安全問(wèn)題主要是電池的“過(guò)充過(guò)放”問(wèn)題。BMS首要解決的即是電池的“過(guò)充過(guò)放”問(wèn)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(huì)影響到拐點(diǎn)的形態(tài)。

以國(guó)內(nèi)某大型電池廠的一只180Ah磷酸亞鐵鋰鋰離子動(dòng)力電池在國(guó)家某家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)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(tái)都是3.35V左右，充電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.25V和3.45V，放電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.4V和3.1V。

BMS的管理特性主要是通過(guò)“限兩頭”和“電池拐點(diǎn)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(guò)充電”和“過(guò)放電”，解決電池安全問(wèn)題，業(yè)界簡(jiǎn)稱為“限兩頭”。目前，利用電池電化學(xué)“拐點(diǎn)”特性，通過(guò)BMS合理管理可解決電池“長(zhǎng)壽命”問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐，尤其是通過(guò)北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)期間BMS在電動(dòng)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(guó)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(duì)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(dòng)化程度不高等因素，很難保證鋰電池出廠時(shí)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(kāi)發(fā)，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺(tái)并試行。

因此，面對(duì)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(wèn)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(wèn)題是電池成組應(yīng)用問(wèn)題。為解決“電池一致性問(wèn)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(dòng)均衡法（能耗分流法），主動(dòng)均衡法（動(dòng)態(tài)均衡法），內(nèi)均衡法（自然均衡法）三種。

被動(dòng)均衡法是通過(guò)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(dòng)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(guò)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(shí)，均衡電流很小，通常小于100mA，對(duì)大容量電池的作用可忽略不計(jì)，SOC估算精度也很低。

被動(dòng)均衡法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)均衡電流較小時(shí)，器件成本相對(duì)較低。但存在兩大問(wèn)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(shí)，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(shí)，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(dòng)均衡法，是針對(duì)電池在使用過(guò)程中產(chǎn)生的容量個(gè)體，及自放電率產(chǎn)生的電壓差異進(jìn)行主動(dòng)均衡。其主要功能是在電池組充電、放電或放置過(guò)程中，都可在電池組內(nèi)部對(duì)電池單體之間的差異性進(jìn)行主動(dòng)均衡，以消除電池成組后由于自身和使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種不一致性。

主動(dòng)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(guò)程中都做均衡；平衡電流大，均衡速度較快。但也存在兩大問(wèn)題：一是技術(shù)復(fù)雜，成本高，實(shí)現(xiàn)困難；二是頻繁切換均衡電路，對(duì)電池造成的傷害大，影響電池的壽命。

目前，無(wú)論是被動(dòng)均衡技術(shù)還是主動(dòng)均衡技術(shù)，都不能很好地解決問(wèn)題。究其原因，目前普遍使用的充放電控制過(guò)程，是以固定的電壓作為充放電終止條件，而電池在工作過(guò)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(guò)充或過(guò)放。而溫度的變化會(huì)造成鋰電池內(nèi)部材料的老化，使電池過(guò)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(duì)電池進(jìn)行了建模和仿真，但算法過(guò)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(duì)特定品牌和型號(hào)的電池進(jìn)行復(fù)雜的辨識(shí)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(duì)串聯(lián)電池充電的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)充電電流和控制充電電壓的拓?fù)渌惴ǎ沟秒姵亟M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(jiǎn)單；沒(méi)有能量損失；沒(méi)有增加附加的充放電過(guò)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(zhǎng)的時(shí)間才能均衡。

近年來(lái)，BMS采用內(nèi)均衡的方法在國(guó)內(nèi)外80多家動(dòng)力電池廠及不同車型的電動(dòng)車廠家做過(guò)大量實(shí)際驗(yàn)證，均取得了很好的應(yīng)用效果，得到業(yè)界廣泛好評(píng)。

通過(guò)三種均衡模式的對(duì)比，并經(jīng)過(guò)大量實(shí)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(yíng)成本，得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。

突破BMS瓶頸實(shí)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(jià)格而言，電池價(jià)格占整車價(jià)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(yàn)和技術(shù)。

鋰電池長(zhǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)新能源汽車走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、市場(chǎng)化之路。