新能源汽车国内外锂离子动力电池的关键技术及新动态

新能源汽车国内外锂离子动力电池的关键技术及最新动态1、锂离子动力电池待解决的使用技术问题锂离子动力电池做为一种新型的动力技术，可以使用在任何一种驱动车辆上，如电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动中巴和大巴，以及UPS、移动激光电源、移动照明电源、移动通讯设备、军事领域、航空航天领域，其使用面之广，具有不可估量的市场前景。然而，基于锂离子动力电池的特性，即充电电压不可超过4.2V，放电电压不可低于2.6V。使用锂动力电池的技术问题，已是迫在眉睫，而且是必须尽快解决的问题。锂动力电池的产生，无疑对传统的驱动技术带来危机。而锂动力电池的特性，又决定了必须有高超的使用技术。才能尽快进入使用市场。从目前的锂电池生产制造技术看，已经达到了完美的程度，10Ah电池内阻达到10mΩ左右，而50Ah，100Ah的电池内阻只有1mΩ左右，这使电池专家都感到惊讶。然而，锂动力电池的突然出现，也让使用市场感到突然。当一个个用户对高新科技产生兴趣，并兴致勃勃地试用时，问题出现了：锂动力电池在使用中做为动力，必须要串联才能达到使用电压的需要，而几个几十个甚至几百个电池的串联，使用一段时间后，必然会产生电压的参差不齐，这并不是电池的生产技术问题，由于电池在生产过程中，从涂膜开始到成为成品要经过很多道工序。即使经过严格的检测程序，使每组电源的电压、电阻、容量一致，但使用一段时间，也会产生这样或那样的差异。如同一位母亲生的双胞胎，刚生下时可能长得一模一样，做为母亲都很难分辨。然而，在两个孩子不断成长时，就会产生这样或那样的差异锂动力电池也是39这样。使用一段时间产生差异后，采用整体电压控制的方式是难以适用于锂动力电池的，如一个36V的电池堆，必须用10只电池串联。整体的充电控制电压是42V，而放电控制电压是26V。用整体电压控制方式，初始使用阶段由于电池一致性特别好，也许不会出现什么问题。在使用一段时间以后电池内阻和电压产生波动，形成不一致的状态，（不一致是绝对的，一致性是相对的）这种时候仍然使用整体电压控制是不能达到其目的的。例如10只电池放电时其中两只电池的电压在2.8V，四只电池的电压是3.2V，四只是3.4V，现在的整体电压是32V，我们让它继续放电一直工作到26V。这样，那两只2.8V的电池就低于2.6V处于了过放状态。锂电池几次过放就等于报废。反之，用整体电压控制充电的方式进行充电，也会出现过充的状况。比如用上述10只电池当时的电压状态进行充电。整体电压达到42V时，那两只2.8V的电池处于"饥饿"的状态，而迅速吸收电量，就会超过4.2V，而过充的超过4.2V的电池，不仅由于电压过高产生报废，甚至还会发生危险，这就是锂动力电池的特性。特性的物质只有掌握它的特性来使用，才能给你造福。如同一匹野马，你只有把它戴上缰绳。才能驯服它。自从人类发明了锂电池，其使用技术一直在不断提高，如小容量的手机电池，使用技术已达到完美程度。然而，做为大功率大容量的锂动力电池，其使用技术仍然处于开发研制阶段。人们对较小容量的10AH电池采取了单体控压恒流充电方式，在放电时使用整体电压控制，在电压较高时就使其保护，停止工作。比如在整体电压30V时就控制其停止工作了。这样，一般在一致性比较好的电池组里，单体电池的电压也不会低于2.6V。而充电时由于采取单体充电，单体控制，就能够使每只电池的工作效率达到比较理想的程度。然而这种控制仍然不会使人们满足，并没有使电池达到100%的工作量，比如广东的一家电动自行车公司，用10AH/36V的电池组充一次电续驶60k/m，而另一家电动自行车公司使用同样的电池组测试，可续驶75km，这不能不说锂动力电池的使用技术是有高低之分的。由于锂动力电池的使用技术是每个研发单位的机密，他们在研发过程中都投入大量的人力物力资源，所以，使用技术的高低，不能不说这是他们开发市场争创品牌的资本。锂动力电池理想的管理应该是均衡保护控制。这种控制的要求是几只几十只甚至是几百只的电池组，每只电池不仅能够管理和保护，而且在放电时还要使每只电池的电压保持均衡一致。如同几十杯水，在同一个水平线上平衡一致地往外流。在充电时，也如几十杯同一水平线上的水，在同一个电压线上，均衡一致地进行充电。这种要求似乎刻苛，可锂劝力电池要想百分之百的被用户认可，只有做到这种程度才行。因为许多用户，特别是消费者，他们不懂如何单独检测，如何各别处理单体出问题的电池，锂动力电池的管理只有达到智能化程度，才能彻底开辟出这个宏大的市场。所以说，锂动力电池市场目前亟待解决的是使用技术问题。2、动力电池及系统的关键技术2.1EV动力电池的相关标准1）容量(Capacity)。电池的容量是指在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用AH(安时)数、mAH(毫安时)表示。理论容量：理论容量是假设电池内产生电量的化学反应式左边的物质全部参加反映生成的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉第定律计算得到的。40实际容量：实际容量是指电池在一定的放电条件下电池实际所能输出的电量，等于放电电流对放电时间的积分。额定容量：额定容量也叫公称容量，是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。2）放电速率，简称放电率，常用时率表示。时率是以放电时间表示的放电率，即以某电流放电放完额定容量所经历的时间。例如电池三小时额定容量为120Ah(用C/3=120Ah表示)，则电池在充满电后，以120/3=40A的恒流放电，在其电压不低于某一规定值以前，能连续放电达到三小时者为合格。3）能量(Energy)。电池容量是按一定标准规定的放电条件下，电池所能输出的电能，单位为Wh(瓦时)或kWh(千瓦时)。电池有实际能量和标称能量之分。实际能量为电池处于一定的放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积。4）比能量(SpecificEnergy)。比能量作为衡量各种电池性能的一项重要指标。比能量也称为能量密度。比能量有重量比能量和体积比能量之分。重量比能量指电池单位质量所输出的电能，单位为Wh/kg(瓦时/千克)。5）功率(Power)。电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量大小，单位为W(瓦)或kW(千瓦)。6）比功率(SpecificPower)。单位质量或单位体积的电池所输出的功率称为比功率，单位为W/kg或W。7）循环使用寿命(CycleLife)。电池充电和放电一次称为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量下降到某一规定值以前，电池能承受的充、放电循环次数，称为电池的循环使用寿命，循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一项重要的指标。8）自放电率(Setf-Discharge)。自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度，自放电率用单位时间内容量下降的百分数表示。9）输出效率(outputeffective)。电池实际上是一个能量存储器。充电时将能量转变为化学能存储器来，放电是把化学能转变为电能释放出来。但电池并不能作为理想的储能器，它在工作过程中有一定的能量消耗。10）充电率(Charge-Rate，C-rate)。它表示电池充放电时电流的大小。例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以100mAh(1C)放电时间可持续1小时、如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时，充电亦如此计算。11）终止电压(Off-Cut-Voltage)。指电池放电时，其电压下降到电池不允许再继续放电的最低工作电压值。12）开路电压(Open-Voltage)。电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，往往会形成起开路电压不一样的情况出现。13）放电深度(DepthofDischarge)。在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，成为放电深度。14）过放电(Over-Discharge)。电池在放电过程中，当超过电池放电的终止电压值后，还继续放电时就可能会造成电池内部电压(即电池的开路电压)升高，正、负极活性物质的可逆型遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。15）过充电(Over-Charge)。电池在充电时，在达到充满状态后，若继续充电，可能导致电池内部电压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。412.2电动汽车对动力电池的要求一般情况下，电动汽车的动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大变化。针对这种使用特点，电动汽车的动力系统对电池有如下几个方面的特别要求：(1)大功率充放电的能力。电动汽车要求动力电池具有更高的比功率。(2)高效的充放电能力。电动汽车中动力电池的高充放电效率是对保证整车效率具有至关重要的作用。(3)相对稳定性。电动汽车电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定。2.3电动汽车对电池管理系统的要求电池管理系统(BMS)管理的对象是电动汽车动力系统的电池，面对动力电池在电动汽车上工作时的苛刻的充放电状况，现代电动汽车的BMS有如下几个方面的要求：1）基本的管理能力。防止过充电与过放充、避免深度放电、SOC和剩余行驶里程的预测。2）较强的热量管理能力。电池在大功率充放电时，电池组发热，在电池箱内形成一定的温度梯度，使得各个单体电池工作时的环境温度不一致，将会削弱各单体电池间的均衡性，降低电池组的充放电能力。针对这样的情况，BMS必须具备先进的热量管理能力，维持电池模块间温度的平衡，并控制电池的工作温度在合理范围内。3）高压电安全管理能力。电动汽车的动力电池的高达数百伏的高压电，可能危及生命及车辆安全，为了确保电动汽车高压电安全，BMS需要实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的接通过程，在发现异常状况后能立即通过状态线输出故障状态并做出相应的动作，在危险的情况下能自动切断高压电的输出。4）车载CAN通讯功能。BMS作为电动汽车的一个子系统，在监控电池组的同时，通过总线，必须实时的将电池状态告知车载动力总成系统和其他相关分系统，实现信息共享。5）较好电磁兼容（EMC）能力。BMS作为汽车电子部件，需要满足十分严格的汽车电磁兼容性要求。3、电池管理系统的开发难点和重点电池作为化学电源其输出功率和发动机有明显的不同，其充放电反应机理、化学活性物质及其反应速度等直接决定了电池提供充放电电流、电压的能力。为精确预测电池SOC，我们必须通过大量的理论和试验研究电池内部电化学关系，准确估计电池内部状态。电动车电池组一般是由100～300节单体镍氢电池或者30～100节锂电池串联组成，总电压一般在120～500V之间。电池管理系统需要测量单体电池电压、温度、通过电流等参数，同时如何解决大量信号的测量精度和信号的共地、隔离、抗干扰等问题，将是数据采集系统设计的难点。今后电池管理系统的研究重点是：应以系统观念为基础，根据电池的内部反应机理提高电池SOC预测精度、降低电池管理系统的功耗、改善电池的工作状况和存放环境。即主动地进行电池管理，特别是电池的过度充放电保护、热平衡和电池的工作环境的管理。同时应该充分运用优化理论，将电池管理系统的能耗与电池的能量进行优化，以取得在最优能耗下获得最大的电池放电电能。424、控制技术的现状分析1．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势（1）前言目前,影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题,延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理和控制,为此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。例如,日本青森工业研究中心从1997年开始至今,仍在持续进行电池管理系统(BMS)实际应用的研究;美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测;丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展之后,在BMS方面取得很大的突破,与国外水平也较为接近。在国家863计划20XX年第一批立项研究课题中,就分别有北京理工大学承担EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统和DC/DC变换器等一大批相关课题。（2）BMS的基本结构BMS的主要工作原理可简单归纳为:数据采集电路首先采集电池状态信息数据,再由电子控制单元(ECU)进行数据处理和分析,然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令,并向外界传递信息。基于上述原理,美国托莱多大学提出一个典型的BMS基本结构。这个典型的系统把BMS简化划分为1个ECU和1个均衡电池之间电荷水平的均衡器(EQU)两大部分。其中ECU的任务主要由4个功能组成:数据采集、数据处理、数据传送和控制。ECU也控制均衡器、车载充电器等电池维护设备。韩国Ajou大学和先进工程研究院开发的BMS系统的组成结构及其相互逻辑关系。该系统在上述结构中进行功能扩展,即增设热管理系统、安全装置、充电系统以及与PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通信联系,实现能量制动反馈和最大功率控制。湖南大学研发的电动汽车采用的集中式BMS结构。该BMS系统最大的优点是采用电压隔离开关矩阵提高数据采集的可靠性和系统的安全性。其内部多条隔离的数字及模拟信号输入输出通道不仅可以根据要求灵活使用,而且有效增强系统的抗干扰能力。现在国外正在开展基于智能电池模块(SBM)的BMS研究,即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路,然后封装为一个整体,多个智能电池模块再与1个主控制模块相连,加以其它辅助设备,就构成1个基于智能电池的管理系统。该BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡和电池保护等功能。美国Micron公司开发的军用电动车辆BMS采用的就是这种结构。（3）BMS功能组成部分概述综合国内外的研究工作,目前所设计的电动汽车用BMS通常包含以下功能组成部分:数据采集、剩余容量(SOC)的估算、电气控制(充放电控制、均衡充电等)、热管理、安全管理和数据通信。数据采集在BMS中,采集到的数据是对电池作出合理有效管理和控制的基础。因此,数据的精度、采样频率和数据过滤就非常重要。鉴于电压、电流、温度的动态变化特征,采样频率通常应不低于1次/s。锂离子电池的安全性要求高,对电压敏感,所以必须采集每个单体43电池的电压,监测到每个电池的温度。镍氢电池和铅酸电池对电压和温度的采集精度要求不像锂离子电池那样高,有时为简化BMS的结构,对电压和温度成对或成组采集。SOC的估算电池剩余容量(SOC)的确定是BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性,使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法等。近年来又相继研发出许多对电池SOC的新型算法,例如模糊逻辑算法模型、自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光谱法等。开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC,在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响,测量结果易受干扰,可信度不高。再加上这种方法比较复杂,计算量大,因此在实际应用中比较困难。安时法通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量,再根据充放电的起始SOC状态,就可以计算出蓄电池的SOC。该方法最为直接明显,而且简单易行,在短时间内具有较高精度,但长时间工作时有较大的累积误差。实际应用中,安时法是目前最常用的方法,且常与其它方法组合使用,如安时内阻法、安时2Peukert方程法、安时开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用安时法精度更高。各种智能算法和新型算法由于还不是很成熟,有些复杂算法在单片机系统上难以实现,所以在实际应用中还不多见,但这是未来发展的方向。为了更准确估算SOC,在算法中还需要考虑对电池的温度补偿、自放电和老化等多方面因素。例如,韩国Ajou大学和先进工程研究院的研究人员对镍氢电池SOC的估算中考虑电池的实际可用容量(包含了对温度的考虑)、自放电率和电池老化对容量的影响,提出了SOC计算公式为SOC(%)=100%×(额定容量+容量补偿因数+自放电效应+老化效应-放电量+充电量)/额定容量其SOC估算精确度在±3%内。电气控制德国的JossenA等研究人员认为电气控制需要实现的功能有:控制充电过程,包括均衡充电;根据SOC、电池健康状态(SOH)和温度来限定放电电流。电气控制中需要结合所使用的电池技术和电池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑,以此作为充放电控制的标准。在BMS中,均衡充电是非常关键的一个环节。动力电池一般由多节较大容量单体电池串联而成。但由于单体电池之间存在不一致性,这会降低电池组的使用水平,严重影响电动汽车的性能,危及电动汽车的安全。例如,在湖南大学研发的EV23中发现,当没有采用均衡充电时,电池经过多次的充放电之后,10个单体电池为1组的镍氢电池组间电压差最大约为2V。均衡充电的方案有多种,选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电,硬件设备比独立均衡简单,但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护系统方案,实现均衡充电和电池保护的综合运用。安全管理和控制电池自身的安全问题,尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至爆炸,因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题,它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护,以及防止高电压和高电流的泄漏,其所必备的功能有:过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。这些功能可以与电气控制、热管理系统相结合来完成。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。例如文献中的BMS,其智能电池模块的电路设计还具有单体电池断接44功能。安全管理系统最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息,在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路,防止意外事故的发生。热管理电池在不同的温度下会有不同的工作性能,如铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化,甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。美国可再生能源国家实验室的AhmadA.Pesaran指出热管理系统的主要任务有:使电池工作在适当的温度范围内