電動汽車鋰電池組均衡策略研究綜述

韓改弟

[摘要]隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題在全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的緊迫性越來越多地被提及在各個(gè)層面，電動汽車的無（低）污染優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)代汽車發(fā)展的主要方向，因此純電動汽車的研究越來越受到重視。

[關(guān)鍵詞]鋰電池組；均衡策略；SOC

近年來，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界第四大汽車生產(chǎn)國和第三大汽車消費(fèi)國。但是我國的石油資源短缺，目前石油進(jìn)口量以每年兩位數(shù)字的百分比增長，預(yù)計(jì)到2020年進(jìn)口依存度將超過50%。因此大力發(fā)展新能源汽車，用電代油是保證我國能源安全的戰(zhàn)略措施。因此大力發(fā)展新能源汽車是實(shí)現(xiàn)我國能源安全、環(huán)境保護(hù)以及中國汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，結(jié)合當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析，專業(yè)從事BMS業(yè)務(wù)的公司在該領(lǐng)域仍具優(yōu)勢，原因主要在于BMS領(lǐng)域最核心的SOC估算和電池均衡技術(shù)具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)門檻；此外，前期堅(jiān)持BMS主業(yè)的相關(guān)企業(yè)積累了大量的BMS運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對后期產(chǎn)品改進(jìn)具有極為重要的意義。

車用動力蓄電池是電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車中一個(gè)越來越重要的關(guān)鍵部分，近年來已經(jīng)有了很大提高，但在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC的估計(jì)精度、均衡技術(shù)和安全管理等方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。所以，大部分企業(yè)在電動汽車研制中曾遭遇尷尬，車用動力電池不僅是制約電動汽車規(guī)模發(fā)展的技術(shù)瓶頸，而且是電動汽車價(jià)格居高不下的關(guān)鍵因素，其成本占整車成本的30%-50%。因此，動力BMS的性能對電動汽車使用成本、節(jié)能和安全性至關(guān)重要。

我國在這方面的研究還剛剛起步，即使美國等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家的研制工作也不完善。我國在“十五”期間設(shè)立電動汽車重大研究項(xiàng)目，積極推進(jìn)BMS研究、開發(fā)和工程化應(yīng)用，取得了一系列的成果和突破。在電動汽車領(lǐng)域，我國與發(fā)達(dá)國家的科技水平差距不是很大，決定電動汽車產(chǎn)業(yè)成熟度的關(guān)鍵因素是動力電池技術(shù)，目前中國企業(yè)在電池技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)成為世界最大的車用動力電池供應(yīng)國。當(dāng)前主要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢，聯(lián)合一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商共同進(jìn)行了如下研究：電池動態(tài)參數(shù)采集的穩(wěn)定性和精度的提高；車載電池SOC的估測；電池模型的研究；電池組均衡控制的研究；BMS與充電機(jī)進(jìn)行CAN通信，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電；車載電池組箱體空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理的散熱控制；電池故障分析與在線報(bào)警、BMS自檢及處理。

在國外，比較典型的BMS如：正在開展基于智能電池模塊（sBM）的BMS研究，即在1個(gè)電池模塊中裝入1個(gè)微控制器并集成相關(guān)電路，然后封裝為一個(gè)整體，多個(gè)智能電池模塊再與1個(gè)主控制模塊相連，加以其他輔助設(shè)備，就構(gòu)成1個(gè)基于智能電池的管理系統(tǒng)；EVlBMS的功能和特點(diǎn)包括：單電池的電壓監(jiān)測；分流采集電池組的電流；過放電報(bào)警系統(tǒng)；高壓斷電保護(hù)；電量里程預(yù)算等；BatOpt系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，包括中心控制單元（MCU）和監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊通過two wire總線，向MCU傳輸每個(gè)電池工作信息，MCU在收集信息后，對電池進(jìn)行優(yōu)化控制；BATYNIAN BMS強(qiáng)調(diào)不同型號動力電池組管理的通用性，其最大特點(diǎn)是：通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的方法，來管理不同型號的電池組。

目前進(jìn)行電動汽車研發(fā)的主要企業(yè)有一汽、上海大眾、東風(fēng)汽車、長安汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、比亞迪汽車、江淮汽車、上海華普、上海通用等企業(yè)。然而，除奇瑞和比亞迪外，其他企業(yè)在電池管理領(lǐng)域沒有或僅有很少的專利申請。究其原因，一方面，一些電動車研發(fā)企業(yè)還沒有將研發(fā)重心放到電池管理系統(tǒng)上；另一方面，國內(nèi)企業(yè)在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)上意識不足，還沒有自己的專利技術(shù)。目前，我國一些企業(yè)已經(jīng)就電池管理系統(tǒng)技術(shù)申請了專利。在電池管理領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗徘傲坏膰鴥?nèi)企業(yè)有：比亞迪、奇瑞汽車、深圳市比克電池有限公司、中興、天津力神電池股份有限公司和華為。

鋰離子電池是目前純電動汽車上應(yīng)用最廣泛的動力電池類型，在能量密度、循環(huán)壽命、自放電率等方面具有明顯優(yōu)勢。正負(fù)極材料的電極電勢決定了目前單節(jié)鋰離子電壓標(biāo)稱只有不到4V，而驅(qū)動純電動汽車需要的電池電壓高達(dá)上百伏甚至數(shù)百伏，因此必須將多節(jié)電池串聯(lián)起來組成電池組，才能達(dá)到所需的電壓等級，一般純電動汽車電池組中用于串聯(lián)的單體電池至少幾十節(jié)，有些達(dá)到上百節(jié)。當(dāng)多節(jié)電池串聯(lián)成組時(shí)，由于單體性能差異所引起的電池組不一致性問題就變得尤為明顯。這里提到的不一致性問題指的是串聯(lián)電池組內(nèi)各單體之間存在的性能差異現(xiàn)象，其最顯著的問題就是單體電池SOC的不一致。

由于不一致性的存在，鋰離子電池組的可用容量和循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于單體電池，電池效能得不到充分發(fā)揮，影響電動汽車的續(xù)駛里程。為了使電池組的使用容量最大化，需要對電動汽車用磷酸鐵鋰動力電池組進(jìn)行均衡充電，實(shí)時(shí)檢測各單體電池特征參數(shù)，并維持各單體電池SOC差異在容許范圍之內(nèi)。

BMS是新能源汽車的核心競爭力，新能源汽車所用動力電池相較于傳統(tǒng)消費(fèi)類鋰電池，無論是結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、所搭載的單體個(gè)數(shù)，還是整體對于安全性能的要求都顯著提升，這使得BMS的重要性更加凸顯，是新能源汽車的核心競爭力之一。因此，國內(nèi)新能源汽車行業(yè)高度景氣，產(chǎn)銷量增長迅猛，大力促進(jìn)了BMS行業(yè)的發(fā)展。隨著新能源乘用車和專用車的放量，三元小電池滲透率不斷提升，此外，隨著對于整車特別是乘用車安全性能要求的不斷提高，BMS的受重視程度也會不斷加強(qiáng)。