动力锂离子电池系统集成关键技术和产品研究
摘要：动力锂离子电池产业发展已经进入产业化建设和规模化推广应用阶段。动力锂离子电池系统集成关键技术和产品研究，是本阶段的重要课题。本文介绍了基于极端单体电池成组应用技术的动力锂离子电池系统集成关键技术、关键零部件和产品研究的最新进展。
关键词：动力锂离子电池；系统集成；极端单体
引言
在国家科技项目重点支持和市场的双重推动下，新型锂离子动力锂电池在关键技术、关键材料和产品研究上都取得了重大进展。单体动力锂离子电池的性能已基本能够满足使用要求。虽然动力锂离子电池采购成本仍高于铅酸电池，但从全生命周期内的综合经济性考虑，其成本已经远远低于铅酸电池。动力锂离子电池产业已经进入产业化建设和规模化推广应用的历史新阶段。
由于前一阶段动力锂离子电池发展的重点集中在关键技术、关键材料和产品开发上，动力锂离子电池成组应用技术并未得到相应的重视，致使动力锂离子电池系统集成关键技术、关键零部件和产品研究严重滞后于电池技术的发展。当前大多仍将只能适用于铅酸等非密封富液电池的技术和设备用于动力锂离子电池，从而导致部分电池单体在充放电过程中发生过充电、过放电、过流和超温等问题，使电池受到严重伤害，电池安全性大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚至电池燃烧、爆炸等恶性事故时有发生。适应动力锂离子电池特点的成组应用技术和设备，是有效解决成组动力锂离子电池安全性下降和寿命缩短问题的有效途径。
当前动力锂离子电池产业已经进入产业化建设和规模化推广应用的历史新阶段。动力锂离子电池成组技术和成组应用技术和设备，是保障动力锂电池组安全运行的重要支撑条件。动力锂离子电池系统重要包括电池总成、充电系统、用电系统和维护管理系统。
1研究背景
伴随现代电力电子技术和控制技术的飞速发展，充电技术经历了两阶段恒流充电→多阶段恒流充电→恒压充电→恒压限流充电几个发展阶段。充电设备也经历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→高频开关电源充电机几个阶段。由于数字控制技术和计算机，特别是嵌入式微控制器技术的飞速发展，充电设备控制技术得到了快速发展，充电设备从手动调整迅速发展到高智能化的全自动充电设备。
动力锂离子电池是与传统铅酸电池完全不同的一类电池，对充电和放电都有比铅酸蓄电池严格得多的要求：根据美国U?S?Apopypore理事会主席张正铭博士研究结果，锰酸锂离子电池充电电压应限制在4.225V~4.250V之内，若超过0.085V，即可对电池造成伤害。过度的过充电、过放电、超温和过流，将导致动力锂离子电池使用寿命大幅缩短，甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故。
当前，国内外动力锂电池广泛采用基于S.O.C的安全管理技术，希望通过基于荷电状态（即S.O.C）的估计，确定最佳的充电电流和放电电流，以达到电池组不发生过充电的目的。
为了防止发生过充电，应满足：VBE+I?R0≤允许充电电压（1）
为了防止发生过放电，应满足：VBE-I?R0≥允许充电电压（2）
式中：VBE：电池电动势R0：电池内阻I：充电电流
上述思路忽略了一个重要问题：影响电池端电压的重要因素是充放电电流（I）和内阻（R0）。蓄电池允许的充电电流重要受电池内阻的约束，而电池内阻（R0）与容量（Ah）并无确定关系。同样容量的电池内阻（R0）相差也很大。因此，依据电池荷电状态（S.O.C值）确定的电流，是不能防止发生过充电和过放电问题的发生的。即使依据特定电池组，在大量试验的基础上建立的相对较准确的S.O.C估计数学模型，也只能适应特定电池的特按时间段内，不具备一般性和通用性。另外，由几十到几百只电池串联而成的动力锂电池组，如何准确定位目标电池单体，确定内阻本身就是个十分复杂的问题。研究适应动力锂离子电池特点的充放电新技术和新设备，是推动锂离子电池产业发展的重要课题。
2研究进展
机械科学研究总院先进制造技术研究中心，集成长期从事动力锂电池成组应用技术和设备研究相关经验，成功开发了适应锂离子等新型动力锂电池特点的动力锂离子电池系统综合管理系统，简称BSMS（BatterySynthesesManagementSystem）。
从2003年开始此系统便应用在北京奥运电动汽车示范项目中。经过几年实际应用的持续优化、完善和提高，已经形成了性能稳定、安全可靠、功能完善的，适用于锂离子等新型动力锂电池的新型动力蓄电池综合管理系统。已经形成了由8项专利、7个公司标准组成的完整体系。
2.1BSMS基本结构
图1BSMS基本结构
如图1所示，BSMS重要包括BMS、充电系统、放电系统。还包括面向现场的质量评估系统、电池租赁计量计费系统、S.O.C估计等辅助功能。
不同于现有的大多仅为监测装置的BMS（BatteryManagementSystem），BSMS不仅可实时跟踪采集数据记录，更能对充放电进行实时控制。在充放电管理过程中，采用了具有自主知识产权的“基于极端单体电池”充电技术，可有效防止发生部分电池过充电、过放电、超温和过流问题，不仅能适应动力锂离子电池，还可兼容多达6种不同类型电池的充放电管理。
2.2BSMS管理系统
图2BSMS基本机构
BSMS中的重要技术单元之一是蓄电池管理系统（BMS），其显著特点是，在数据采集系统的支撑下，嵌入BMS的远程充电和放电控制模块，与充放电装置组成的充放电系统，采用基于极端单体电池充放电新技术，可有效防止发生动力锂离子电池过充电、过放电、超温和过流。在嵌入式数据采录系统支撑下，功能强大的面向现场的电池总成质量评估系统，为用户供应技术先进的使用维护技术手段。其结构如图2所示。
BMS还嵌入了高精度电能（KWh）计和用于电池租赁模式计量计费系统，如图3。
图3计量卡、采集卡
嵌入BMS的数据自动采录系统、大容量（FLASH）数据卡，和功能强大的数据处理平台，构成了高性能面向用户现场的动力锂电池总成质量评估系统。
BMS具有以下特点：
（1）为提高数据采录系统的可靠性，采用了电池单体电压数字采样、温度数字采样和WDT采样双重安全冗余的技术措施。即使电压采样电路发生失调、失效，仍可确保电池单体监测信息的安全性，有效的提高了充电和放电控制过程的安全性。
（2）充电控制接口采用CAN总线、充电控特种引电路、充电控制接口和I/O接口。多种控制模式和控制系统组成的安全冗余充电控制系统，使BMS具有很高的充放电控制的安全性和可靠性。
（3）为适应不同产品的需求，供应了多种配置方法，重要有：标准型、经济型、简易型和专用型，如表1。
（4）智能化管理：在BMS支撑下，适用锰酸锂、磷酸铁锂、镍氢、VRLA等多达六种电池的个性化智能充电控制，无须人工干涉，有效降低了因人工误操作引发的事故发生。
表1BMS的分类和系统配置
2.3BSMS充放电管理
高安全性智能化充放电管理，是BSMS的独特优势。
为适应不同用户，供应了四种充放电控制系统配置方法，见表1。
其中，标准型（A），以同步数字采样和CAN接口，作为基本充放电控制接口，还配置了充电控特种引电路、基于单体电池电压反馈闭环充电控制接口。该配置具有很高的可靠性和安全性，适用于如电动汽车等高端应用领域。其数据采录系统支持动力蓄电池远程监控和面向用户现场的动力蓄电池质量评估系统。
经济型（B），在标准型配置的基础上，取消了数字采样和CAN通讯接口。基于单体电池电压反馈闭环充电控制接口是本配置的基本充放电控制接口，与充电控特种引电路组成充放电安全冗余控制系统，同样具有很高的安全性，性价比高，适用于如UpS、低配置电动汽车辆等一般应用领域。
简易型（C），为适应对成本有严格要求，相对安全性容易控制的如电动自行车、便携电源等，仅配置了基于单体电池通过I/O闭环的充放电控制系统。
经济形（B）和简易型（C）没有数据采录系统，不支持动力蓄电池远程监控和面向用户现场的动力蓄电池质量评估系统。
上述三种配置适用于循环充放电工作模式的动力锂电池系统。
第四种配置是专门为工作长期处于潺流充电模式的备用电池系统。在标准型配置基础上新增了自主式自动均衡装置，在长期潺流运行模式下，可自动均衡化处置，电池可在少维护模式下持续运行。
2.4BSMS充放电技术
2.4.1基于端电压的充放电管理技术
基于端电压的现有充放电技术可简单描述为：
充电端电压UC≤∑E+∑I?RX+∑I?RO+∑UJ（3）放电端电压UC1≥∑E–(∑I?RX+∑I?RO+∑UJ)（4）
现有充放电技术特点是依据电池组端电压调整充电电流。现有如恒流充电、多阶段恒流充电、恒压充电、恒压限流充电，以及由此衍生出的各种自动充电、智能化充电设备都属于基于端电压充放技术的类型。此类设备对电池不一致性适应特性极差，只能适用于普通铅酸等富液类非密封电池的充电和放电，不能适应对均衡性要求很高的锂离子等新型动力锂电池的要求。
图4充电过程中单体电池电压状态
图4是102个动力锂离子电池串联的动力锂电池组充电过程中电池单体电压状态图。在该状态下，超过平均电压的电池单体为37.3%，若按端电压控制，则部分电池将发生严重过充电现象。
2.4.2基于极端单体电池充放电控制技术
机械科学研究总院具有自主知识产权的基于极端单体电池成组应用技术和新型充放电设备，具有优良的电池不一致性适应特点。基于极端单体电池充电技术的核心即是优先依据充放电过程中的极端电池单体状态调整充放电电流，使其限制在允许状态范围内，以保证无过充电、过放电、超温和过流问题发生，从而保证蓄电池系统安全运行。基于极端单体电池充放电控制方法可简单描述为：Ucd≤UmaxI≤ImaxT≤TmaxUC≤Umax（5）
式中：Ucd单体电池端电压Umax电梯电池额定充电电压I充电电流Imax电池最大允许充电电流T最高温度Tmax最高允许温度UC电池组端电压Umax最高允许充电端电压
基于极端单体电池充放电技术控制策略遵循以下优先级：
最高优先级：最高电池单体端电压控制在规定范围内；
第二优先级：电池组端电压控制在规定范围内；
第三优先级：最高温度应小于或等于最高允许温度；
最低优先级：充电电流应小于或等于允许充电电流；
基于极端单体电池充放电控制技术的成功研究，为研制锂离子等新型动力锂电池用新一代充放电设备奠定了基础。该技术经过不断优化、完善和提高后，现已具备工程应用的成熟程度。
2.5面向现场的动力蓄电池系统质量评估
动力锂离子电池的应用必然涉及普通终端用户。而动力锂离子电池系统结构复杂，技术要求高，对电池的使用维护提出了更高的要求。现有动力锂电池试验设备大多是面向科研院所，大中型公司的生产过程要而设计的，价格昂贵，使用复杂，对操作人员技术素质要求很高。适用于用户现场的动力锂离子电池质量评估系统，是动力锂离子电池规模化推广应用中必须解决的维护管理基础支撑技术条件。
机械科学研究总院以终端用户电池维护管理需求为目标，研制成功了面向用户现场的动力蓄电池系统质量评估系统。该系统以嵌入蓄电池管理系统的数据采录系统为支撑，采用功能强大的数据处理平台，组成了成本低廉，操作简便，适用于终端用户的动力蓄电池质量评估系统。该系统可以对电池总成的性能，充、放电系统与电池总成性能匹配情况等进行快速评估，为用户供应可靠的维护管理数据支持，并供应了多达8种算法的电池配组工具。
由于该系统充分利用用户动力锂电池系统实际运行工况中的自动数据采录，无需价格昂贵的充放电设备和工况模拟设备，具有非常好的性价比。系统结构如图5。
图5面向现场的动力蓄电池总成质量评估系统
与静态采样取得的电压值不同，BSMS系统在用户系统运行工况下采录的电池电压数据，实质上已是反映在实际工况条件下的电池单体电动势、内阻、电气连接、荷电状态、环境温度等多种复杂的已知和未知的相关因素的综合特点的特点参数。用户使用维护工作中，无须对相关因素进行具体解析。具体解析相关因素反而会出现难以估量的误差。直接使用这些特点参数对电池系统进行评估和分组，反而具有最高的精度和可信度。
采用电池组特点参数的相对极差和相对标准差，对电池组的均衡性（包括电动势、内阻、电气连接、荷电状态等对电池性能出现影响的全部因素）评估，即可准确评估电池系统性能与用户实际运行工况的符合性。同时，在实际工况条件下自动采集得到各电池单体数据、同一电池系统不同时段的数据以及各电池系统的数据都具有良好的可比性和可重现性。为电池系统横向和纵向的质量评估的可比性奠定了数据源基础。
该系统的研制成功，为用户供应了一套用于日常管理的超低成本动力锂电池系统质量评估工具，是电池和充放电设备选型和维护的依据。
2.6动力锂离子电池分组试验系统
图6动力锂离子电池分组试验系统结构图
该系统重要用于动力锂离子电池生产和使用过程中的充电试验、放电实验、充电工况模拟、放电工况模拟，根据所采集的特点数据对动力锂离子电池进行分组匹配。
该系统结构如图6，包括三种模式：智能充放电模式、分组控制模式、工况控制模式。供应线性分组和非线性分组版本，其中线性分组具有9种分组方法可供选择。
动力锂离子电池分组试验系统，采用“基于极端单体电池”充放电控制技术，可对充放电进行有效安全控制，结合BSMS先进的数据采集方法和具有独特的数据分组处理平台功能的面向现场的动力锂离子电池分组试验系统，通过模拟实际工况条件下的电池充放电情况，可将待分组电池分选匹配成具有良好一致性的多组电池，为电池生产商供应了解决电池不一致性的最新方法。如图7（a）为108支电池在运行中的状态，图7（b）即按0.5%误差曲线分组后的情况。电池被分为了三组：其中A类电池共41只、B类电池共3只，C类电池1只。
图7（a）分组前电池情况
图7（b）分组后电池情况
（1）从全生命周期考量，动力锂离子电池的使用寿命已经低于普通铅酸电池。动力锂离子电池产业已经进入产业化建设和规模化推广应用的历史新阶段。动力锂离子电池成组应用技术和设备研究是当前动力锂离子电池产业发展的重要课题。
（2）动力锂离子电池系统关键技术、关键设备和产品研究进程，直接关系到动力锂离子电池产业持续发展的大局。
（3）“基于极端电池单体”的充放电控制技术的研究成功，为新型动力锂离子电池系统和新一代充放电设备的研制，奠定了重要的技术基础。
（4）SBCM动力锂电池综合管理系统的研究成功，为动力锂离子电池系统集成技术的发展奠定了重要的基础。采用SBCM实现的动力锂离子电池系统，不会发生过充电、过放电、超温和过流问题，为动力锂离子电池系统安全运行供应了最佳解决方法。作者简介：
钱良国出生于1949年，高级工程师，现任机械科学研究总院先进制造技术中心电动汽车电源技术研究所所长，我国电子商会电源专业委员会常务理事、北京电源协会常务理事，我国汽车工程学会电动汽车分会会员。《化学与物理电源系统》杂志编委，国家电源产业发展规划信息员。从1986年起，一直从事新型动力蓄电池应用技术和设备研究。先后组建负责组建第二炮兵（宝鸡）充电技术研究所、第二炮兵（北京）充电技术研究所，任所长兼总工。长期从事从事军队和地方动力蓄电池应用研究和设备开发。先后承担了“九五”、“十五”、“十一五”军队和国家“863”电动汽车专项相关课题。自十五起，研究的重点方向是动力锂离子电池充电、放电、面向现场的质量评估和维护等成组应用技术技术，取得多项技术专利和科研成果。
郝永超：机械科学研究总院先进制造技术研究中心电动汽车电源技术研究所所长助理。先后参与了国家“十五”“十一五”“863”电动汽车重大专项、北京科技奥运项目等项目的研究开发工作，重要从事动力锂电池充电关键技术和设备的开发工作，特别是在动力锂电池充电设备、蓄电池管理系统以及监控系统的研究。
肖亚玲：毕业于我国农业大学信息与电气工程学院，工作于机械科学研究总院先进制造技术研究中心电动汽车电源技术研究所，我国电子商会电源专业委员会动力电源系统工作委员会秘书处办公室主任。重要从事动力锂离子电池管理系统、监控系统及系统集成技术研究。
