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锂动力电池成组技术应用“优育”的前提是“优生” ——再论新能源汽车发展之瓶颈

时间:2018-09-18 来源:爱游戏浏览:279

锂动力电池成组技术应用“优育”的前提是“优生”
                      ——再论新能源汽车发展之瓶颈

 

方英民

新能源汽车电池成组管理应用技术专家

中国电源工业协会      常务副理事长

  

国内BMS发展现状和爱游戏体育平台ayx公司的发展愿景

国内BMS生产厂家前三甲主要有冠拓、亿能、力高三大家,产销量占国内同类产品近70%以上的份额。主要应用在电动汽车、储能电站、分布式电源等领域,在国内外享有较高的声誉。

    本文作者系冠拓的创始人,中国电源工业协会常务副理事长、新能源行业锂动力电池成组管理技术资深专家、对ayx.c在理论和实践方面有深入研究。自2002年起在新能源电动汽车领域的辛勤耕耘,带领冠拓电源公司研发团队开发并制造出在国内具有领先地位的新一代ayx.c。该产品系列在国内外市场均有突出表现,全新的电池拐点管理理念及具有创新型的BMS系列产品深受业界好评。作为新能源领域资深技术专家,曾多次在国内各种中外新能源领域,电池及电动车行业大型论坛上进行演讲,并在国内专业杂志及技术文献发表多篇论文,在电池和电动车行业享有较高的知名度。和国内ayx.c领军人物,多次在国内新能源汽车和储能电源大中型论坛发表演讲,是拐点理论的提出人和实践者。

哈爱游戏体育平台ayx公司是新能源领域的一个新兵,虽转型只有两年时间,但其技术实力和产品系列已远远超过以上厂家的较单一品种,主要侧重于电池成组管理技术的研发和市场应用,四大产品系列和33个品种的新产品已基本填补了新能源汽车和储能领域的大部分空白,具有极具挑战型的发展潜力。

一、从新能源汽车发展的怪圈说起

    新能源汽车承载了太多的低碳效应,节能减排,改善环境的重托,成为替代能源中最具有应用价值的“明星范儿”现身国际舞台,不断吸引着国人的眼球。

 2008年北京奥运会,五十台电动大巴车在奥运会的精彩亮相极大地鼓舞了国人的“电动汽车梦。专家们开始大谈新能源汽车的“同一起跑线”和“弯道超车”。

2009年国家四部委政策扶持的“十城千辆”示范工程到2014年的86城33万辆的加码,短短五年扶持力度空前!

国家电网为新能源汽车运营而大兴土木跑马占荒式的充、换电站的抢先建设非常抢眼。

前言

今年二月以来的那些雾霾天气,比以往时候来得更猛烈一些。已占到15%的国土面积。每当此时,人们就难免会萌起对政府大力扶持新能源汽车的殷切期盼。

电动汽车似乎已经成了当下的“热词”,但电动汽车须用锂动力电池提供动力源,国人们可能还是会相知甚少。人们更关心的是新能源汽车何时能真正商用化运作且上路跑,而对于用什么能源作动力的关心似乎还须一个“慢热”的过程。

理想和现实的差距

五年来大干快上式的新能源汽车建设,都在不同程度上传达给国人们一个非常清晰且欣喜的信号,新能源时代真的要来了吗?

可现实往往总是会捉弄人,到头来令国人们最不愿看到的一幕还是出现了;新能源汽车时代并不如人们所想象中的那样如期到来。

电动汽车
产量(辆)
销量(辆)备注
2012年12552
12791距离国务院2012年《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》规划目标相去甚远
2013年1753317642
增长(%)39.7%37.9%

先期兴建的大量充电站及充电桩闲置在那似乎无“车”问津

大批的融投资商由初期的蜂拥而至到现今的“门可罗雀”

国家及地方航母级的新能源汽车产业联盟如雨后春笋般的初露头角便悄无声息

一股股寒流不断地冲击着新能源汽车的前进步伐,人们不禁要问,问题究竟出在哪里?

从电动汽车与燃油车之PK说起

早在上世纪1834年世界上就诞生了第一台以不可充电电池为动力的电动汽车,它的问世甚至要早于以石油的衍生品——汽油燃料为动力的汽油车(1886年)半个世纪。

    二者各有长短板不能做简单PK,但新能源汽车绿色环保的主旋律必将会因动力锂离子电池的闪亮登场而将在新世纪重振雄风。

二、谈谈锂电池的安全和寿命

能量型动力锂离子电池优势

以能量型动力锂离子电池(锂动力电池)为突出代表的新能源汽车的新型动力源在世纪初问世了。做为新能源时代的能量载体可谓应运而生。

相对于铅酸电池具有以下优势

1、体积更小;

2、重量更轻;

3、比能量、比功率更高;

4、循环寿命更长;

5、可高倍率充电;

6、可高倍率放电;

因此迅速成为了新能源汽车的首选。

动力锂离子蓄电池成组应用存在的问题

首要是电池厂向用户承诺的千次以上的动力锂离子蓄电池循环寿命依然仅限于单体电池,而成组应用时寿命往往会大打折扣。

电动汽车动力来源需要多只电池的串并联,但电池只要一成组应用,其“一致性趋减”的问题就凸显出来。

即使电池出厂时一致性偏好的情况下,只要在电动汽车特有工况的环境(电池在电动车的摆放位置不同、温度场不同)下应用一段时间,因电池组串并联引起的的电化学特性的改变,电池串并联成组后的差异性就会显现,从而导致电池组中某一单体电池由于“过充电”或“过放电”等原因率先失效,致使电池组综合性能下降和电池组被超限使用,影响了电池组的安全性和循环寿命。

动力锂离子蓄电池存在的问题如何解决?

可以肯定的说:电池成组应用——“优育”(BMS)的前提一定是“优生”(电池一致性)。“养生”(均衡)只适宜解决电池出厂前、后差异化带来的问题,并不治本。

电池成组应用的问题得不到真正解决将会极大的“拖住”新能源汽车产业化的前进步伐!

三、合理控制“电池拐点”是解决电池成组应用的关键环节吗?

ayx.c(BMS)

由于电池本身的电化学特性导致“电池电化学成组一致性特性变差”的问题,有解决的办法吗?

一种系采用电子线路的办法来解决此类问题,业界习惯称为BMS的专为管理锂动力电池串并联成组应用的配套产品诞生了。

“电池拐点”的哲学

“电池拐点”系指动力锂离子电池在充放电后期,充电或放电至90%-95%的电量的特性曲线,拐点现象由此形成。这是动力锂离子电池本身特性使然(见图示)。当然,随着电池本身的温度或应用环境温度的不同;以及充放电电流的深度等因素都会影响到拐点的形态。

以国内某大型电池厂的一只180Ah磷酸亚鉄鋰锂离子动力电池在国家某重点实验室进行测试的测试数据为例,在室温下1/3C充放电的电压曲线如图1所示。充放电的电压平台都是3.35V左右,充电电压两个拐点是3.25V和3.45V;放电电压两个拐点是3.4V和3.1V。

国内某知名厂商180Ah动力锂电池充放电曲线图

单体180Ah锂离子动力电池充放电曲线的“拐点现象”
20只160Ah电池串联成组放电曲线形成的“马尾效应”

                              

BMS的管理特性

通过控制充电机和电机控制器的管理手段,防止锂电池的“过充电”和“过放电”,解决电池安全问题,我们简单的称其为“限两头”。

通过利用电池电化学“拐点”特性的合理管理策略来解决所谓的电池“长寿命”问题。

经过几年来北京奥运会和上海世博会BMS在电动车上的示范运行,其作用目前已被业界广泛认可,更多的BMS参与电动车示范运行成功的典型案例也不胜枚举。

BMS面临的困境

1、锂动力电池产品标准杂乱难统一

由于锂动力电池种类品种繁多,国内各主流电池厂又各自为战,导致国内难以形成统一的技术标准,(在此值得一提的是小型卷绕式圆柱电池,国内外的外形尺寸技术标准是统一的)。BMS由此很难形成针对不同电池的技术标准。

2、锂动力电池处于产业化发展初期

锂电池限于各种工艺不够完善、生产设备自动化程度不够高等原因,许多中小型电池厂的品质还停留在相对原始的初级阶段,动力电池出厂时的初始一致性就很难保证。

3BMS需大量重复性定制开发

大量的重复性工作浪费在定制开发上,使得锂动力电池与BMS之间由于技术不够成熟配套争议较大,相关技术标准难以出台并试行。这不能不说是一件憾事。

由于要面对动力锂离子蓄电池规模化生产的复杂现状,不得不增加了有关专门为解决”电池一致性问题”而涌现出的各种平衡手段。

四、几种BMS解决方案之比较

均衡算法简述

许多有关BMS解决锂动力电池“一致性”方案的初衷还是好的。单纯从功能性解决问题的效果也是各有千秋,比如说有关解决锂动力电池差异性的各种平衡方法,随着锂动力电池的产业化呼声不断高涨而迅速涌现。

但这些方法是否真的能解决上述问题还有待商榷。为此,针对目前几种主流的解决方案做以分析。

被动均衡法 (能耗分流法)

在传统能耗型BMS系统中,均衡方式主要以被动均衡为主,采用单体电池并联分流能耗电阻的方式,且只能在充电过程中做均衡工作,多余的能量杯消耗到能耗电阻上,效率为零。同时,均衡电流很小,通常小于100mA,对大容量电池的作用可以忽略不计,SOC估算精度也很低。

被动均衡法工作原理:就是把整组电池系统中,串联成组的单体电池电压差异性,通过BMS进行电压采集,以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准,任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时,即对组内单体电压最高的那只电池,通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流,以此类推,一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。

特点:原理简单,实现容易;

均衡电流小时,器件成本相对较低。

问题:电阻能耗放电,浪费能量,产生热量;

由于放电电阻不可能选得太小,充电结束时,根据电池特性往往小容量电池的电压是最高的,在静态均衡时,放掉的恰恰是小容量电池的电量,反而加大了电池间的互差。

主动均衡法(动态均衡法)

是针对电池在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生的电压差异进行主动均衡的一种方法。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中,都可在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡,以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗,以及电池的电化学特性中极化内阻的变化,并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题。

主动均衡法工作原理:利用能量转移装置将高能量电池的电量补充到低能量电池中。其实质是运用电池组内电池能量可单/双向转移的手段,让电池组内电池电压(容量)高的那只单体电池,或是组内总回路电池,或是另设一只单独用于平衡用的独立电池,通过电磁感应法,或单、双向DC/DC的方法,将其富裕能量向组内其他电池电压(容量)较低的电池,按排序法补充电能给组内容量较低的那只电池,此方法可以在电池充电、放电或电池静置时进行。以期达到改善电池成组差异性的目的。

特点:采用DC/DC双向有源均衡电路均衡效率高;

充电、放电和静态过程中都做均衡;

平衡电流大,均衡速度较快。

问题:技术复杂,成本高,实现困难;

因须频繁切换均衡电路,对电池造成的伤害大,影响电池的寿命。

原因:在均衡过程中,不断地对电池进行充放电,造成极板活性材料过早老化(这是影响电池寿命的重要因素)

内均衡法(自然均衡法)

内均衡技术是利用BMS在对串联电池组充电的过程中,通过调节充电电流和控制充电电压的拓扑算法,使得电池组中各单体电池荷电量达到基本一致的一种充电均衡技术。

内均衡法工作原理:

电池在充电过程中,其端电压可表示为:

U = E + I Ri

E 电池的电动势

I  充电电流

Ri 电池的内阻.

Ri可以表示为:

Ri = RΩ+Rf

R Ω  是欧姆电阻,较稳定,在充电过程中基本不发生变化。

Rf  是极化电阻, 变化较大,在充电接近尾声时,由于反应面减小,极化电阻会变大。

内均衡技术原理

假设电池组中有两只电池容量相同,由于自放电率等参数不同造成长期搁置后荷电量不同。  

充电时,荷电量高的电池首先达到恒压点,减小电流后继续充电。根据锂离子电池的特性,当电池接近充满时,充电效率会下降。而此时低荷电量的电池还保持着较高的充电效率。到充电结束时,它们之间的差距就会减小一些,经过几个循环之后,其荷电量会趋于一致。

内均衡原理

    假设两只电池的荷电量相同,但容量不同,根据上面相同的原理,经过多个充放循环后,两只电池充电结束时的荷电量都能接近100%(见图示)

证明:

假设电池U1的容量C1大于电池U2的容量C2,充电时电池U2首先达到恒压点,则电池U1的总体充电效率G1大于电池U2的效率G2(设二者初始容量都为0或同一起始点)。  

第一次充电结束时,电池U1的荷电量为 S1=(G1/G2)C2。  

假设电池组放电到电池U2为0,然后充电。  

第二次充电结束时,电池U1的荷电量为S2=S1-C2+(G1/G2)C2。则有S2-S1=[(G1/G2)-1]C2, 由于G1>G2, 所以S2-S1>0,即S2>S1,可以得出结论:  

电池U1每充电后的荷电量总是大于自身前一次的荷电量。

内均衡技术特点

1、可不基于SOC估算,算法简单

2、不增加硬件设备

3、没有增加附加的充放过程,不影响电池寿命

4、电池工作在较理想的工作点上

5、没有能量损失

锂动力电池的“长寿命”是追求目标

经过对上述几种均衡模式的认真比对,不难看出只有认真遵循“电池拐点”理论和简便实用的“内均衡方式”最为符合电池组的成组特性。

大量的实践案例也进一步证明了BMS的“内均衡方式”既省去了繁杂且违背电池固有规律的某些做法的硬件成本,又降低了锂动力电池成组应用的运营成本。

“限两头带中间自动均衡”十字方针的科学管理策略,充分发挥锂动力电池“拐点理论”提及的充/放电平台特性,规避有害电池特性的“马尾效应”,使得锂动力电池在保证“出厂一致性”的前提下,既保证了电池安全性,又可保证电池组的”循环寿命最大化“,必将是BMS技术突破所追循的目标。

五、突破BMS瓶颈迎接新能源车之春

BMS不能“包治百病”

那些所谓的超“拐点”使用,拼命求取“充满、放光”的介于电池外部的各种平衡办法对“电池循环寿命”及电池安全的不利影响会是显而易见的。

结束语

电网、整车厂和电池厂的合作是当前新能源汽车规模化发展的关键环节。

锂动力电池成组技术应用已成为新能源汽车产业化之路的重要技术瓶颈之一。

整车、锂动力电池、BMS三者之间的合理配合才是新能源汽车走向产业化、规模化、市场化的正确之举,也只有完成了BMS这一技术瓶颈的重大突破,新能源汽车的产业化春天才会真正到来,我们期待!