電動汽車鋰電池組均衡策略研究綜述

韓改弟

[摘要]隨著能源危機和環境污染問題在全球汽車產業發展過程中的緊迫性越來越多地被提及在各個層面，電動汽車的無（低）污染優點，使其成為當代汽車發展的主要方向，因此純電動汽車的研究越來越受到重視。

[關鍵詞]鋰電池組；均衡策略；SOC

近年來，我國的汽車行業發展迅速，已成為世界第四大汽車生產國和第三大汽車消費國。但是我國的石油資源短缺，目前石油進口量以每年兩位數字的百分比增長，預計到2020年進口依存度將超過50%。因此大力發展新能源汽車，用電代油是保證我國能源安全的戰略措施。因此大力發展新能源汽車是實現我國能源安全、環境保護以及中國汽車工業實現跨越式、可持續發展的需要。因此，結合當前的產業現狀分析，專業從事BMS業務的公司在該領域仍具優勢，原因主要在于BMS領域最核心的SOC估算和電池均衡技術具備相當的技術門檻；此外，前期堅持BMS主業的相關企業積累了大量的BMS運行方面的經驗數據，對后期產品改進具有極為重要的意義。

車用動力蓄電池是電動汽車產業化的關鍵，電動汽車電池管理系統（BMS）是電動汽車中一個越來越重要的關鍵部分，近年來已經有了很大提高，但在采集數據的可靠性、SOC的估計精度、均衡技術和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。所以，大部分企業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模發展的技術瓶頸，而且是電動汽車價格居高不下的關鍵因素，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、節能和安全性至關重要。

我國在這方面的研究還剛剛起步，即使美國等汽車工業發達國家的研制工作也不完善。我國在“十五”期間設立電動汽車重大研究項目，積極推進BMS研究、開發和工程化應用，取得了一系列的成果和突破。在電動汽車領域，我國與發達國家的科技水平差距不是很大，決定電動汽車產業成熟度的關鍵因素是動力電池技術，目前中國企業在電池技術方面處于領先地位，已經成為世界最大的車用動力電池供應國。當前主要是一些高校依托自己的科技優勢，聯合一些大的汽車生產商和電池供應商共同進行了如下研究：電池動態參數采集的穩定性和精度的提高；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與充電機進行CAN通信，實現協調控制和優化充電；車載電池組箱體空間和機械結構設計及合理的散熱控制；電池故障分析與在線報警、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個電池模塊中裝入1個微控制器并集成相關電路，然后封裝為一個整體，多個智能電池模塊再與1個主控制模塊相連，加以其他輔助設備，就構成1個基于智能電池的管理系統；EVlBMS的功能和特點包括：單電池的電壓監測；分流采集電池組的電流；過放電報警系統；高壓斷電保護；電量里程預算等；BatOpt系統是一個分布式系統，包括中心控制單元（MCU）和監控模塊。監控模塊通過two wire總線，向MCU傳輸每個電池工作信息，MCU在收集信息后，對電池進行優化控制；BATYNIAN BMS強調不同型號動力電池組管理的通用性，其最大特點是：通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數的方法，來管理不同型號的電池組。

目前進行電動汽車研發的主要企業有一汽、上海大眾、東風汽車、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。然而，除奇瑞和比亞迪外，其他企業在電池管理領域沒有或僅有很少的專利申請。究其原因，一方面，一些電動車研發企業還沒有將研發重心放到電池管理系統上；另一方面，國內企業在知識產權保護上意識不足，還沒有自己的專利技術。目前，我國一些企業已經就電池管理系統技術申請了專利。在電池管理領域專利申請量排前六位的國內企業有：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用最廣泛的動力電池類型，在能量密度、循環壽命、自放電率等方面具有明顯優勢。正負極材料的電極電勢決定了目前單節鋰離子電壓標稱只有不到4V，而驅動純電動汽車需要的電池電壓高達上百伏甚至數百伏，因此必須將多節電池串聯起來組成電池組，才能達到所需的電壓等級，一般純電動汽車電池組中用于串聯的單體電池至少幾十節，有些達到上百節。當多節電池串聯成組時，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電池組內各單體之間存在的性能差異現象，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壽命遠低于單體電池，電池效能得不到充分發揮，影響電動汽車的續駛里程。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行均衡充電，實時檢測各單體電池特征參數，并維持各單體電池SOC差異在容許范圍之內。

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消費類鋰電池，無論是結構復雜程度、所搭載的單體個數，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，國內新能源汽車行業高度景氣，產銷量增長迅猛，大力促進了BMS行業的發展。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。