單體動(dòng)力鋰電池關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告

-.z單體動(dòng)力鋰電池關(guān)鍵技術(shù)研究摘要：動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)開展已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化建立和規(guī)模化推廣應(yīng)用階段。動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品研究，是本階段的重要課題。本文介紹了基于極端單體電池成組應(yīng)用技術(shù)的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件和產(chǎn)品研究的最新進(jìn)展。關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池；系統(tǒng)集成；極端單體引言在國(guó)家科技工程重點(diǎn)支持和市場(chǎng)的雙重推動(dòng)下，新型鋰離子動(dòng)力電池在關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品研究上都取得了重大進(jìn)展。單體動(dòng)力鋰電池的性能已根本能夠滿足使用要求。雖然動(dòng)力鋰電池采購(gòu)本錢仍高于鉛酸電池，但從全生命周期內(nèi)的綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，其本錢已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉛酸電池。動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化建立和規(guī)?；茝V應(yīng)用的歷史新階段。由于前一階段動(dòng)力鋰電池開展的重點(diǎn)集中在關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品開發(fā)上，動(dòng)力鋰電池成組應(yīng)用技術(shù)并未得到相應(yīng)的重視，致使動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件和產(chǎn)品研究嚴(yán)重滯后于電池技術(shù)的開展。當(dāng)前大多仍將只能適用于鉛酸等非密封富液電池的技術(shù)和設(shè)備用于動(dòng)力鋰電池，從而導(dǎo)致局部電池單體在充放電過程中發(fā)生過充電、過放電、過流和超溫等問題，使電池受到嚴(yán)重傷害，電池平安性大幅下降，使用壽命大幅縮短，甚至電池燃燒、爆炸等惡性事故時(shí)有發(fā)生。適應(yīng)動(dòng)力鋰電池特點(diǎn)的成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備，是有效解決成組動(dòng)力鋰電池平安性下降和壽命縮短問題的有效途徑。當(dāng)前動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化建立和規(guī)?；茝V應(yīng)用的歷史新階段。動(dòng)力鋰電池成組技術(shù)和成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備，是保障動(dòng)力電池組平安運(yùn)行的重要支撐條件。動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)主要包括電池總成、充電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)和維護(hù)管理系統(tǒng)。1研究背景伴隨現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速開展，充電技術(shù)經(jīng)歷了兩階段恒流充電→多階段恒流充電→恒壓充電→恒壓限流充電幾個(gè)開展階段。充電設(shè)備也經(jīng)歷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→高頻開關(guān)電源充電機(jī)幾個(gè)階段。由于數(shù)字控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)，特別是嵌入式微控制器技術(shù)的飛速開展，充電設(shè)備控制技術(shù)得到了快速開展，充電設(shè)備從手動(dòng)調(diào)整迅速開展到高智能化的全自動(dòng)充電設(shè)備。動(dòng)力鋰電池是與傳統(tǒng)鉛酸電池完全不同的一類電池，對(duì)充電和放電都有比鉛酸蓄電池嚴(yán)格得多的要求：根據(jù)美國(guó)U?S?APopypore理事會(huì)主席*正銘博士研究結(jié)果，錳酸鋰電池充電電壓應(yīng)限制在4.225V~4.250V之內(nèi)，假設(shè)超過0.085V，即可對(duì)電池造成傷害。過度的過充電、過放電、超溫和過流，將導(dǎo)致動(dòng)力鋰電池使用壽命大幅縮短，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池廣泛采用基于S.O.C的平安管理技術(shù)，希望通過基于荷電狀態(tài)〔即S.O.C〕的估計(jì)，確定最正確的充電電流和放電電流，以到達(dá)電池組不發(fā)生過充電的目的。為了防止發(fā)生過充電，應(yīng)滿足：VBE+I?R0≤允許充電電壓

〔1〕為了防止發(fā)生過放電，應(yīng)滿足：VBE-I?R0≥允許充電電壓

〔2〕式中：VBE：電池電動(dòng)勢(shì)

R0：電池內(nèi)阻

I：充電電流上述思路忽略了一個(gè)重要問題：影響電池端電壓的主要因素是充放電電流〔I〕和內(nèi)阻〔R0〕。蓄電池允許的充電電流主要受電池內(nèi)阻的約束，而電池內(nèi)阻〔R0〕與容量〔Ah〕并無(wú)確定關(guān)系。同樣容量的電池內(nèi)阻〔R0〕相差也很大。因此，依據(jù)電池荷電狀態(tài)〔S.O.C值〕確定的電流，是不能防止發(fā)生過充電和過放電問題的發(fā)生的。即使依據(jù)特定電池組，在大量試驗(yàn)的根底上建立的相對(duì)較準(zhǔn)確的S.O.C估計(jì)數(shù)學(xué)模型，也只能適應(yīng)特定電池的特定時(shí)間段內(nèi)，不具備一般性和通用性。另外，由幾十到幾百只電池串聯(lián)而成的動(dòng)力電池組，如何準(zhǔn)確定位目標(biāo)電池單體，確定內(nèi)阻本身就是個(gè)十分復(fù)雜的問題。

研究適應(yīng)動(dòng)力鋰電池特點(diǎn)的充放電新技術(shù)和新設(shè)備，是推動(dòng)鋰電池產(chǎn)業(yè)開展的重要課題。2研究進(jìn)展機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，集成長(zhǎng)期從事動(dòng)力電池成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究經(jīng)歷，成功開發(fā)了適應(yīng)鋰離子等新型動(dòng)力電池特點(diǎn)的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱BSMS〔BatterySynthesesManagementSystem〕。從2003年開場(chǎng)此系統(tǒng)便應(yīng)用在奧運(yùn)電動(dòng)汽車示*工程中。經(jīng)過幾年實(shí)際應(yīng)用的持續(xù)優(yōu)化、完善和提高，已經(jīng)形成了性能穩(wěn)定、平安可靠、功能完善的，適用于鋰離子等新型動(dòng)力電池的新型動(dòng)力蓄電池綜合管理系統(tǒng)。已經(jīng)形成了由8項(xiàng)專利、7個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組成的完整體系。2.1BSMS根本構(gòu)造圖1BSMS根本構(gòu)造

如圖1所示，BSMS主要包括BMS、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)。還包括面向現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)、電池租賃計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、S.O.C估計(jì)等輔助功能。不同于現(xiàn)有的大多僅為監(jiān)測(cè)裝置的BMS〔BatteryManagementSystem〕，BSMS不僅可實(shí)時(shí)跟蹤采集數(shù)據(jù)記錄，更能對(duì)充放電進(jìn)展實(shí)時(shí)控制。在充放電管理過程中，采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“基于極端單體電池〞充電技術(shù)，可有效防止發(fā)生局部電池過充電、過放電、超溫和過流問題，不僅能適應(yīng)動(dòng)力鋰電池，還可兼容多達(dá)6種不同類型電池的充放電管理。2.2BSMS管理系統(tǒng)圖2BSMS根本機(jī)構(gòu)

BSMS中的主要技術(shù)單元之一是蓄電池管理系統(tǒng)〔BMS〕，其顯著特點(diǎn)是，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的支撐下，嵌入BMS的遠(yuǎn)程充電和放電控制模塊，與充放電裝置組成的充放電系統(tǒng)，采用基于極端單體電池充放電新技術(shù)，可有效防止發(fā)生動(dòng)力鋰電池過充電、過放電、超溫和過流。在嵌入式數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)支撐下，功能強(qiáng)大的面向現(xiàn)場(chǎng)的電池總成質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)，為用戶提供技術(shù)先進(jìn)的使用維護(hù)技術(shù)手段。其構(gòu)造如圖2所示。BMS還嵌入了高精度電能〔KWh〕計(jì)和用于電池租賃模式計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，如圖3。圖3計(jì)量卡、采集卡

嵌入BMS的數(shù)據(jù)自動(dòng)采錄系統(tǒng)、大容量〔FLASH〕數(shù)據(jù)卡，和功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，構(gòu)成了高性能面向用戶現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力電池總成質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。BMS具有以下特點(diǎn)：〔1〕為提高數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)的可靠性，采用了電池單體電壓數(shù)字采樣、溫度數(shù)字采樣和WDT采樣雙重平安冗余的技術(shù)措施。即使電壓采樣電路發(fā)生失調(diào)、失效，仍可確保電池單體監(jiān)測(cè)信息的平安性，有效的提高了充電和放電控制過程的平安性?！?〕充電控制接口采用CAN總線、充電控制導(dǎo)引電路、充電控制接口和I/O接口。多種控制模式和控制系統(tǒng)組成的平安冗余充電控制系統(tǒng)，使BMS具有很高的充放電控制的平安性和可靠性?！?〕為適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求，提供了多種配置方案，主要有：標(biāo)準(zhǔn)型、經(jīng)濟(jì)型、簡(jiǎn)易型和專用型，如表1?！?〕智能化管理：在BMS支撐下，適用錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳氫、VRLA等多達(dá)六種電池的個(gè)性化智能充電控制，無(wú)須人工干預(yù)，有效降低了因人工誤操作引發(fā)的事故發(fā)生。表1BMS的分類和系統(tǒng)配置2.3BSMS充放電管理高平安性智能化充放電管理，是BSMS的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。為適應(yīng)不同用戶，提供了四種充放電控制系統(tǒng)配置方案，見表1。其中，標(biāo)準(zhǔn)型〔A〕，以同步數(shù)字采樣和CAN接口，作為根本充放電控制接口，還配置了充電控制導(dǎo)引電路、基于單體電池電壓反應(yīng)閉環(huán)充電控制接口。該配置具有很高的可靠性和平安性，適用于如電動(dòng)汽車等高端應(yīng)用領(lǐng)域。其數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)支持動(dòng)力蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)控和面向用戶現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力蓄電池質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型〔B〕，在標(biāo)準(zhǔn)型配置的根底上，取消了數(shù)字采樣和CAN通訊接口?；趩误w電池電壓反應(yīng)閉環(huán)充電控制接口是本配置的根本充放電控制接口，與充電控制導(dǎo)引電路組成充放電平安冗余控制系統(tǒng)，同樣具有很高的平安性，性價(jià)比高，適用于如UPS、低配置電動(dòng)車輛等一般應(yīng)用領(lǐng)域。簡(jiǎn)易型〔C〕，為適應(yīng)對(duì)本錢有嚴(yán)格要求，相對(duì)平安性容易控制的如電動(dòng)自行車、便攜電源等，僅配置了基于單體電池通過I/O閉環(huán)的充放電控制系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)形〔B〕和簡(jiǎn)易型〔C〕沒有數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)，不支持動(dòng)力蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)控和面向用戶現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力蓄電池質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。上述三種配置適用于循環(huán)充放電工作模式的動(dòng)力電池系統(tǒng)。第四種配置是專門為工作長(zhǎng)期處于潺流充電模式的備用電池系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)型配置根底上增加了自主式自動(dòng)均衡裝置，在長(zhǎng)期潺流運(yùn)行模式下，可自動(dòng)均衡化處置，電池可在少維護(hù)模式下連續(xù)運(yùn)行。2.4BSMS充放電技術(shù)2.4.1基于端電壓的充放電管理技術(shù)基于端電壓的現(xiàn)有充放電技術(shù)可簡(jiǎn)單描述為：充電端電壓

UC

≤∑E+∑I?R*+∑I?RO+∑UJ

〔3〕

放電端電壓

UC1

≥∑E–(∑I?R*+∑I?RO+∑UJ)

〔4〕現(xiàn)有充放電技術(shù)特點(diǎn)是依據(jù)電池組端電壓調(diào)整充電電流?，F(xiàn)有如恒流充電、多階段恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，以及由此衍生出的各種自動(dòng)充電、智能化充電設(shè)備都屬于基于端電壓充放技術(shù)的類型。此類設(shè)備對(duì)電池不一致性適應(yīng)特性極差，只能適用于普通鉛酸等富液類非密封電池的充電和放電，不能適應(yīng)對(duì)均衡性要求很高的鋰離子等新型動(dòng)力電池的要求。圖4充電過程中單體電池電壓狀態(tài)

圖4是102個(gè)動(dòng)力鋰電池串聯(lián)的動(dòng)力電池組充電過程中電池單體電壓狀態(tài)圖。在該狀態(tài)下，超過平均電壓的電池單體為37.3%，假設(shè)按端電壓控制，則局部電池將發(fā)生嚴(yán)重過充電現(xiàn)象。2.4.2基于極端單體電池充放電控制技術(shù)機(jī)械科學(xué)研究總院具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于極端單體電池成組應(yīng)用技術(shù)和新型充放電設(shè)備，具有優(yōu)良的電池不一致性適應(yīng)特征?；跇O端單體電池充電技術(shù)的核心即是優(yōu)先依據(jù)充放電過程中的極端電池單體狀態(tài)調(diào)整充放電電流，使其限制在允許狀態(tài)*圍內(nèi)，以保證無(wú)過充電、過放電、超溫和過流問題發(fā)生，從而保證蓄電池系統(tǒng)平安運(yùn)行?；跇O端單體電池充放電控制方法可簡(jiǎn)單描述為：

Ucd≤Uma*

I≤Ima*

T≤Tma*

UC≤Uma*

〔5〕式中：Ucd

單體電池端電壓

Uma*

電梯電池額定充電電壓

I

充電電流

Ima*電池最大允許充電電流

T

最高溫度

Tma*最高允許溫度

UC

電池組端電壓

Uma*最高允許充電端電壓基于極端單體電池充放電技術(shù)控制策略遵循以下優(yōu)先級(jí)：最高優(yōu)先級(jí)：最高電池單體端電壓控制在規(guī)定*圍內(nèi)；第二優(yōu)先級(jí)：電池組端電壓控制在規(guī)定*圍內(nèi)；第三優(yōu)先級(jí)：最高溫度應(yīng)小于或等于最高允許溫度；最低優(yōu)先級(jí)：充電電流應(yīng)小于或等于允許充電電流；基于極端單體電池充放電控制技術(shù)的成功研究，為研制鋰離子等新型動(dòng)力電池用新一代充放電設(shè)備奠定了根底。該技術(shù)經(jīng)過不斷優(yōu)化、完善和提高后，現(xiàn)已具備工程應(yīng)用的成熟程度。2.5面向現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估動(dòng)力鋰電池的應(yīng)用必然涉及普通終端用戶。而動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)要求高，對(duì)電池的使用維護(hù)提出了更高的要求?，F(xiàn)有動(dòng)力電池試驗(yàn)設(shè)備大多是面向科研院所，大中型企業(yè)的生產(chǎn)過程需要而設(shè)計(jì)的，價(jià)格昂貴，使用復(fù)雜，對(duì)操作人員技術(shù)素質(zhì)要求很高。適用于用戶現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力鋰電池質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)，是動(dòng)力鋰電池規(guī)?；茝V應(yīng)用中必須解決的維護(hù)管理根底支撐技術(shù)條件。機(jī)械科學(xué)研究總院以終端用戶電池維護(hù)管理需求為目標(biāo)，研制成功了面向用戶現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入蓄電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采錄系統(tǒng)為支撐，采用功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，組成了本錢低廉，操作簡(jiǎn)便，適用于終端用戶的動(dòng)力蓄電池質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)電池總成的性能，充、放電系統(tǒng)與電池總成性能匹配情況等進(jìn)展快速評(píng)估，為用戶提供可靠的維護(hù)管理數(shù)據(jù)支持，并提供了多達(dá)8種算法的電池配組工具。由于該系統(tǒng)充分利用用戶動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況中的自動(dòng)數(shù)據(jù)采錄，無(wú)需價(jià)格昂貴的充放電設(shè)備和工況模擬設(shè)備，具有非常好的性價(jià)比。系統(tǒng)構(gòu)造如圖5。圖5面向現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力蓄電池總成質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)

與靜態(tài)采樣取得的電壓值不同，BSMS系統(tǒng)在用戶系統(tǒng)運(yùn)行工況下采錄的電池電壓數(shù)據(jù)，實(shí)質(zhì)上已是反映在實(shí)際工況條件下的電池單體電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、電氣連接、荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度等多種復(fù)雜的和未知的相關(guān)因素的綜合特征的特征參數(shù)。用戶使用維護(hù)工作中，無(wú)須對(duì)相關(guān)因素進(jìn)展具體解析。具體解析相關(guān)因素反而會(huì)產(chǎn)生難以估量的誤差。直接使用這些特征參數(shù)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)展評(píng)估和分組，反而具有最高的精度和可信度。采用電池組特征參數(shù)的相對(duì)極差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)電池組的均衡性〔包括電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、電氣連接、荷電狀態(tài)等對(duì)電池性能產(chǎn)生影響的全部因素〕評(píng)估，即可準(zhǔn)確評(píng)估電池系統(tǒng)性能與用戶實(shí)際運(yùn)行工況的符合性。同時(shí)，在實(shí)際工況條件下自動(dòng)采集得到各電池單體數(shù)據(jù)、同一電池系統(tǒng)不同時(shí)段的數(shù)據(jù)以及各電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都具有良好的可比性和可重現(xiàn)性。為電池系統(tǒng)橫向和縱向的質(zhì)量評(píng)估的可比性奠定了數(shù)據(jù)源根底。該系統(tǒng)的研制成功，為用戶提供了一套用于日常管理的超低本錢動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估工具，是電池和充放電設(shè)備選型和維護(hù)的依據(jù)。2.6動(dòng)力鋰電池分組試驗(yàn)系統(tǒng)圖6動(dòng)力鋰電池分組試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)造圖該系統(tǒng)主要用于動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)和使用過程中的充電試驗(yàn)、放電實(shí)驗(yàn)、充電工況模擬、放電工況模擬，根據(jù)所采集的特征數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)展分組匹配。該系統(tǒng)構(gòu)造如圖6，包括三種模式：智能充放電模式、分組控制模式、工況控制模式。提供線性分組