我國(guó)鋰電池及其配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

吳鵬

摘要：鋰電池因其多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為儲(chǔ)能與動(dòng)力電池的主流。文章首先介紹了鋰電池的主要材料和關(guān)鍵技術(shù)，隨后對(duì)鋰電池必需的管理系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，尤其是對(duì)其中的均衡、SOC等關(guān)鍵技術(shù)做了分析，最后展望了鋰電池及BMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和未來(lái)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鋰電池；BMS原理；儲(chǔ)能與動(dòng)力電池；參數(shù)檢測(cè)技術(shù)；均衡技術(shù)；SOC估計(jì)方法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.002

1 概述

隨著社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，人們對(duì)儲(chǔ)能裝置的要求越來(lái)越高。高質(zhì)量、低價(jià)格的蓄電池在未來(lái)以電能為基礎(chǔ)的社會(huì)中將起起舉足輕重的作用。蓄電池不僅給移動(dòng)設(shè)備提供電能，還可以存儲(chǔ)風(fēng)光能等不連續(xù)能量，而依賴(lài)蓄電池技術(shù)的各種電動(dòng)車(chē)輛更是減少污染的重要途徑。在各種蓄電池中，鋰電池由于體積小、重量輕、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)凡是需要使用移動(dòng)、儲(chǔ)能等電源的場(chǎng)合都有鋰電池的身影。鋰電池由于具有嚴(yán)禁過(guò)充過(guò)放等特點(diǎn)，所以必須配備能實(shí)時(shí)監(jiān)控的保護(hù)設(shè)備；同時(shí)由于電池組中各單體之間必然存在的差異性，所以完善的鋰電管理系統(tǒng)不僅包括先進(jìn)的保護(hù)技術(shù)，還應(yīng)針對(duì)各領(lǐng)域的特點(diǎn)制定合理的均衡方案。除保護(hù)均衡之外，鋰電管理系統(tǒng)還應(yīng)具有電量估計(jì)、溫度監(jiān)控、通信等附加功能。本文首先對(duì)鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，隨后將對(duì)鋰電管理系統(tǒng)的核心技術(shù)進(jìn)行闡述，最后對(duì)我國(guó)鋰電池及其配套管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了個(gè)人的一點(diǎn)觀(guān)點(diǎn)和建議。

2 鋰電池關(guān)鍵技術(shù)

鋰是元素周期表中原子量最小的金屬，具有比重量與電化學(xué)當(dāng)量小、電極電勢(shì)最負(fù)（-3.045V）的性質(zhì)。因此鋰作為負(fù)極的鋰電池具有開(kāi)路電壓與比功率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是鋰電不含有毒重金屬如鎘、鉛、汞等，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，所以在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的當(dāng)代越來(lái)越受到青睞。

鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在正負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜上，材料的性能和制備工藝很大程度上決定了電池的性能。目前市場(chǎng)上正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰及磷酸鐵鋰等，其中鈷酸鋰是現(xiàn)有正極材料中技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的品種，主要用于手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等小型電池領(lǐng)域，但由于原材料價(jià)格高、污染重，且電池在大型化后有過(guò)熱著火的危險(xiǎn)，故相對(duì)而言錳酸鋰和磷酸鐵鋰的鋰電池安全性能更好，成本更低，其中磷酸鐵鋰由于具有另外兩種材料所不具備的循環(huán)壽命和成本優(yōu)勢(shì)，代表著動(dòng)力電池正極材料的發(fā)展方向。負(fù)極材料一般為各種碳材料和金屬氧化物，目前比較成功的碳材料有石墨、微珠碳、裂解碳等，其中天然石墨由于具有低的嵌入電位、優(yōu)良的嵌入脫嵌性能，已成為主流。隔膜是保證鋰電池安全穩(wěn)定工作的核心，主要難點(diǎn)在于材料的厚度、強(qiáng)度、孔徑等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。受技術(shù)門(mén)檻的限制，目前僅有日本、美國(guó)擁有隔膜的核心專(zhuān)利與產(chǎn)業(yè)化能力。國(guó)內(nèi)鋰電池隔膜的研發(fā)工作起步較晚，尤其缺乏高端產(chǎn)品的核心技術(shù)，導(dǎo)致80%以上隔膜依賴(lài)于進(jìn)口。電解質(zhì)也是鋰電池的關(guān)鍵材料，在電池正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用；按電解質(zhì)的不同可分為有機(jī)電解液和聚合物電解質(zhì)。LiPF6/EC+DMC是目前公認(rèn)的最佳電解質(zhì)，但由于制備復(fù)雜導(dǎo)致價(jià)格十分昂貴，因此尋找低成本的電解質(zhì)仍然是一項(xiàng)十分重要的工作。電解質(zhì)的穩(wěn)定性也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。固態(tài)電解質(zhì)因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和黏彈性，并可以任意塑形且無(wú)滲漏問(wèn)題，因此更能滿(mǎn)足便攜式產(chǎn)品微型化的要求，所以成為鋰電池的一個(gè)重要研究方向。

3 BMS原理與核心技術(shù)

BMS的基本工作原理是MCU采集傳感器提供的電流、電壓、溫度等電池工作參數(shù)，從而對(duì)電池的工作情況進(jìn)行分析，估算其剩余電量，決定是否啟動(dòng)保護(hù)電路或進(jìn)行均衡；電池工作狀態(tài)可通過(guò)顯示屏顯示，也可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.1 參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

電池參數(shù)檢測(cè)主要包括電池組中各單體電壓、電流、溫度等的檢測(cè)。電壓測(cè)量的常用方法是對(duì)每個(gè)單體電池配置一個(gè)電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)光耦隔離器傳遞給主控MCU以消除共模干擾。普通電池組的電流可通過(guò)串入回路的電流檢測(cè)電阻進(jìn)行檢測(cè)，而動(dòng)力鋰離子電池組的電流往往比較大，常采用霍爾電流傳感器。溫度參數(shù)直接關(guān)系到電池組的性能甚至安全，傳統(tǒng)的溫度傳感器可以使用溫敏電阻；而數(shù)字溫度傳感器具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快、易于編程控制等優(yōu)點(diǎn)，是溫度測(cè)量元件的發(fā)展趨勢(shì)，如美國(guó)Dallas公司的單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前鋰電池組的多參數(shù)檢測(cè)可以使用專(zhuān)用IC實(shí)現(xiàn)，如Linear公司的LTC6802，可以對(duì)4～12節(jié)電池組進(jìn)行電壓電流的檢測(cè)，并具有更多電池的擴(kuò)展功能。這些專(zhuān)用IC具有電路簡(jiǎn)單、功能全面、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為鋰電檢測(cè)的首選。

3.2 均衡技術(shù)

均衡技術(shù)是電池組管理的核心問(wèn)題，這一點(diǎn)對(duì)我國(guó)而言尤為重要，因?yàn)閲?guó)產(chǎn)電池的一致性相比國(guó)外高端電池有很大差距，所以均衡的壓力更大。目前主流的均衡策略有基于電池實(shí)際電量和電池端電壓兩種。基于電池端電壓的均衡是以各單體的端電壓作為均衡依據(jù)，以端電壓趨于一致為均衡目的。這種均衡策略比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際工作中端電壓往往和電池的實(shí)際電量不能精確對(duì)應(yīng)。基于實(shí)際電量的均衡前提是剩余電量的精確估計(jì)（SOC）。鋰電池由于結(jié)構(gòu)和模型的復(fù)雜性，其SOC特性受許多不確定因素的影響，因此如何依據(jù)可測(cè)的參數(shù)對(duì)SOC做出準(zhǔn)確的估計(jì)是當(dāng)前亟待解決的難題。

均衡控制的實(shí)現(xiàn)方法依據(jù)能量處理方式可分為能量損耗型與非損耗型。耗散型均衡通過(guò)在電池兩端并聯(lián)旁路分流電阻消耗多余能量來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡，即給每節(jié)電池都連接一個(gè)旁路分流電阻，一旦某單體電壓超過(guò)門(mén)限值，則對(duì)應(yīng)的分流電路開(kāi)啟進(jìn)行放電，將其電壓拉低以達(dá)到平衡。這種方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在熱管理問(wèn)題，而且由于各種條件限制，旁路電流一般很小，故而均衡效果不理想。能量非耗散型均衡是指能量在電池組中各單體之間轉(zhuǎn)移以達(dá)到均衡，這種均衡方式存在多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C.Pascual等人提出的均衡方式是利用開(kāi)關(guān)和電容組合實(shí)現(xiàn)能量在相鄰電池之間的傳遞，即將電壓高的電池能量先轉(zhuǎn)移到電容上，再?gòu)碾娙蒉D(zhuǎn)移到電壓低的電池上，最終實(shí)現(xiàn)所有電池的電壓趨于一致。該類(lèi)均衡方案的優(yōu)點(diǎn)是不存在能量浪費(fèi)和熱管理問(wèn)題；缺點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，目前還不適用于串?dāng)?shù)多的電池組。

3.3 SOC估計(jì)方法

基于SOC的均衡策略前提是SOC的精確估計(jì)。鋰電池由于結(jié)構(gòu)和模型的復(fù)雜性，其SOC特性受許多不確定因素的影響：不同的充放電倍率與溫度下鋰電端電壓和最終SOC有很大不同，而隨著鋰電循環(huán)充放次數(shù)的增多，其可用容量會(huì)下降，因此如何依據(jù)可測(cè)的參數(shù)對(duì)SOC做出準(zhǔn)確估計(jì)十分困難。目前業(yè)界常用的在線(xiàn)SOC估計(jì)方法有安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及卡爾曼濾波法等。安時(shí)積分法通過(guò)積分計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)電池流進(jìn)或流出的容量來(lái)計(jì)算SOC，并根據(jù)溫度和充放電倍率這些影響因素對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，目前已成功用于消費(fèi)電子產(chǎn)品SOC的估計(jì)。這種方法問(wèn)題在于如何求得補(bǔ)償系數(shù)與電量初始值，此外電流測(cè)量誤差直接關(guān)系到SOC估計(jì)的精度。

電池開(kāi)路電壓OCV與SOC在一定條件下表現(xiàn)為一定的曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可利用這一關(guān)系來(lái)估算SOC。但是為了真實(shí)測(cè)得電池開(kāi)路電壓需要消除電池自恢復(fù)效應(yīng)，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)；另外，OCV與SOC的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)在中間段斜率很小，如果這時(shí)根據(jù)OCV來(lái)估算誤差就較大。所以開(kāi)路電壓法不能實(shí)時(shí)估計(jì)SOC，但可以為其他估計(jì)算法提供初始SOC值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用自身的學(xué)習(xí)能力對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行模擬。SOC估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般有輸入層、輸出層與中間層。其中輸入量包括電池電壓、內(nèi)阻、充放電電流、溫度以及放出電量。由于需要對(duì)這些輸入量數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)就是不同批次的電池訓(xùn)練方法也不同，除非將來(lái)電池形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則這種方法很難推廣。卡爾曼濾波是根據(jù)前時(shí)刻的狀態(tài)，通過(guò)遞推來(lái)估算當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)值。對(duì)于鋰電這種非線(xiàn)性系統(tǒng)，可以先通過(guò)偏導(dǎo)矩陣近似線(xiàn)性化，再結(jié)合卡爾曼濾波進(jìn)行估計(jì)，稱(chēng)為擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）。鋰電輸出是內(nèi)部綜合這一刻之前所有時(shí)刻的累積的結(jié)果，因此我們常用電池的上一個(gè)狀態(tài)參數(shù)來(lái)估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的工作狀態(tài)，即將電池的電流、工作溫度等參數(shù)作為系統(tǒng)的輸入，SOC作為狀態(tài)參量，電池電壓作為輸出，利用EKF進(jìn)行鋰電池SOC的估算。EKF法的模型最貼近電池實(shí)際情況，理論精度也最高，但是由于電池模型的復(fù)雜性以及計(jì)算量難以控制等缺陷，實(shí)用化還很難，這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起很多國(guó)際汽車(chē)巨頭開(kāi)發(fā)了多種BMS系統(tǒng)，比較著名的有美國(guó)通用公司的電動(dòng)汽車(chē)EVI上的BMS系統(tǒng)、特斯拉電動(dòng)轎車(chē)BMS等。國(guó)內(nèi)比較知名的有：哈爾濱冠拓電源開(kāi)發(fā)的BMS，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、SOC估算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽话不樟Ω咝履茉矗洚a(chǎn)品涵蓋大巴和轎車(chē)BMS，成為江淮、奇瑞等知名汽車(chē)企業(yè)的供應(yīng)商。

4 總結(jié)與展望

鋰電池在手機(jī)、筆記本等數(shù)碼產(chǎn)品上得到了普及，并且已經(jīng)涉及到電動(dòng)工具、照明、電動(dòng)車(chē)輛以及航空航天、軍事裝備等諸多領(lǐng)域，對(duì)電子、汽車(chē)、太陽(yáng)能、航空航天等眾多支柱產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。鋰電池因其所具備的高能量密度、長(zhǎng)壽命、環(huán)保等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)都對(duì)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展大力扶持。目前我國(guó)對(duì)新能源的鼓勵(lì)政策越來(lái)越多，大大降低了鋰電池的成本，為動(dòng)力鋰電池的發(fā)展帶來(lái)了福音。但是我國(guó)在鋰電材料研發(fā)、制造工藝等方面都存在諸多不足，尤其是缺乏關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化能力。如何突破核心技術(shù)，降低成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，是未來(lái)我國(guó)鋰電池行業(yè)的發(fā)展方向。隨著鋰電池的蓬勃發(fā)展，與之配套的鋰電管理產(chǎn)業(yè)也隨之興起。與世界先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)的BMS企業(yè)除了技術(shù)儲(chǔ)備不足之外，更關(guān)鍵的是與汽車(chē)廠(chǎng)商缺乏溝通合作。BMS企業(yè)往往對(duì)整車(chē)性能理解不足，而汽車(chē)廠(chǎng)商對(duì)BMS也經(jīng)常知之甚少，這就造成BMS裝車(chē)聯(lián)調(diào)時(shí)經(jīng)常問(wèn)題不斷，因此中國(guó)BMS企業(yè)應(yīng)一方面在SOC估計(jì)、均衡等關(guān)鍵技術(shù)上加大研發(fā)投入；另一方面應(yīng)加強(qiáng)與汽車(chē)廠(chǎng)商的合作交流，擺脫閉門(mén)造車(chē)的不利局面，使得開(kāi)發(fā)出的BMS能更好地與整車(chē)匹配。只有擺脫急功近利的浮躁思想，同時(shí)整合汽車(chē)、電池、BMS廠(chǎng)商等多種資源，才能更好地推動(dòng)整個(gè)鋰電行業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）