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方英民:破解新能源車與鋰電池產業化怪圈

日期 : 2013.08.17

 一段時間以來只要趕上霧霾天,“細顆粒物”逼著家家不敢開窗時,北京市民就難免會萌起對政府大力扶持新能源汽車的殷切期盼。更何況電動汽車已經成了當下的“熱詞”,但電動汽車須用鋰動力電池提供動力源,國人們可能還是會相知甚少。其實這并不奇怪,人們更關心的是新能源汽車何時能真正商用化運作且上路跑,而對于用什么能源作動力的關心似乎還須一個“慢熱”的過程。

  一、從新能源汽車發展的怪圈說起

  的確,新能源汽車承載了太多的低碳效應,節能減排,改善環境的重托,尤其是成為替代能源中最具有應用價值的“明星范兒”現身國際舞臺,不斷吸引著國人的眼球。

  此話題還要從2008年北京成功舉辦奧運會說起,五十臺電動大巴車在奧運會的精彩亮相極大地鼓舞了國人的“電動汽車夢”。國人為專家們大談新能源汽車的“同一起跑線”和“彎道超車”折腰;以至于國家政策扶持的“十城千輛”等示范工程;抑或是國家電網為新能源汽車運營而大興土木跑馬占荒式的充、換電站的搶先建設,都在不同程度上傳達給國人們一個非常清晰且欣喜的信號,新能源時代真的要來到了。

  可現實往往總是會捉弄人,到頭來令國人們最不愿看到的一幕還是出現了。據中汽協官方網站不完全統計,2011年新能源汽車產銷量分別為8368輛和8159輛;2012年新能源汽車產銷量分別為12552輛和12791輛;兩年相比雖產銷數據略有增長,但距離國務院2012年7月9日發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》中規劃的“到2015年,純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量力爭達到50萬輛;到2020年,純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達200萬輛、累計產銷量超過500萬輛”的目標仍相去甚遠。新能源汽車時代并不如人們所想象中的那樣猶如少女般光鮮亮麗的如期到來,先期興建的大量充電站及充電樁閑置在那似乎無“車”問津,大批的融投資商由初期的蜂擁而至到現今的“門可羅雀”,國家及地方航母級的新能源汽車產業聯盟如雨后春筍般的初露頭角便悄無聲息,一股股寒流不斷地沖擊著新能源汽車的前進步伐。如此“大躍進”意義的新能源汽車的高潮由興到衰,不能不給人們以太多的警醒。

  二、電動汽車與燃油車之PK

  新能源汽車的市場化進程一路坎坷,問題究竟出在哪里?人們迫切的在追尋答案,懸念似乎還是要從新能源汽車所定義的“新能源”說起,其實人們所提及的車用新能源,主要是說用于電動汽車的“動力電池”及與其密切相關的“BMS”。

  說起動力電池其實人們并不陌生,早在上世紀1842年世界上就誕生了第一臺以不可充電電池為動力的電動汽車,它的問世甚至要早于以石油的衍生品——汽油燃料為動力的汽油車(1887年)。石油時代的到來,并沒有給電動汽車的成長帶來太多的發展契機,當時的電動汽車以采用傳統電池為主的“笨重”敗給了后來居上的汽油車。汽車文化的普及更給燃油車添上了起飛的翅膀。目前幾乎世界上所有的動力機械都離不開以石油為燃料做動力源的身影。汽油的比能量高、轉換效率高、使用便捷,用在汽車等動力機械上幾乎無可匹敵。但同時另一個問題不可避免的出現了,僅僅一百多年的石油史,隨著人類貪婪且過度的開采利用,造成了石油資源似乎也要離人類漸漸遠去。隨著石油資源的日漸枯竭,“夢魘”中的石油危機似乎就在面前。同時城市交通所帶來的道路擁擠和汽車所帶來的汽車尾氣污染,帶給人們以各種呼吸道疾病,并隨之帶來的大氣污染所造成的全球性的溫室效應。

  人類呼吁低碳,呼吁環保,呼吁節能,呼吁綠色能源,也給新能源汽車帶來了新的發展良機,新能源汽車作為此商機的最大受益者即將形成新的的市場拉動力,面對新能源汽車技術路線和技術創新的重大變革,用以適應市場化的新需求,人們在翹首以待。

  三、鋰動力電池的安全和壽命

  以能量型動力鋰離子電池(鋰動力電池)為突出代表的新能源汽車的新型動力源在世紀初問世了。做為新能源時代的能量載體可謂應運而生,以其相對于傳統鉛酸電池體積更小、重量更輕、比能量比功率更高、循環壽命更長,可高倍率充\放電等突出特點,迅速成為了新能源汽車的首選。

  從客觀事物的發展分析,事物總是一分為二的,鋰動力電池也不例外,在給人們帶來更多欣喜的同時,其安全性相對于傳統電池偏弱的特點也逐漸暴露出來,近年來見諸媒體報端的多起電動車燃燒事故,以及今年1月16日發生的日本全日空航空公司一架波音787客機艙內鋰電池著火事件似乎給人們帶來了些許苦澀的味道。人們不斷在追問鋰動力電池電動車到底安不安全?因此如何評價并解決電動車的安全性成為了對鋰動力電池應用的必要條件。當然隨著技術的進步以及鋰動力電池安全標準的出臺,這個令人苦惱的問題似乎已經在各方的努力下有了質的改進,從客觀上分析,鋰動力電池自身的安全性目前已經有了大踏步的提高。

  但一個更為令人難以破解的問題又擺在了世人的面前,電動汽車相對于汽油車仍面臨著跑不快、跑不遠、體積重量比大、價格貴等不利因素,仍在阻礙著其迅速發展。

  尤其是各電池廠向用戶承諾的千次以上的鋰動力電池循環壽命也僅限于單體電池,而成組應用時壽命往往會大打折扣。究其原因之一,是因為電動汽車并不像手機電池那樣是單只電池應用,而需要多只電池的串并聯,但電池只要一成組應用,其“一致性趨減”的問題就凸顯出來了,即使在電池出廠時一致性偏好的情況下,只要在電動汽車特有工況的環境(電池在電動車的擺放位置不同、溫度場不同)下應用一段時間,因電池組串并聯引起的的電化學特性的改變,電池串并聯成組后的差異性就會顯現,從而導致電池組中某一單體電池由于“過充電”或“過放電”等原因率先失效,形成“多米諾效應”,致使電池組綜合性能下降和電池組被超限使用,勢必影響了電池組的安全性和循環壽命。所謂的鋰動力電池的長壽命因此被打上了大大的引號,這恰恰是人們最不愿看到的現象。

  此問題得不到真正的解決將會極大的“拖住”新能源汽車產業化的前進步伐。

  四、BMS是解決電池成組應用的關鍵

  問題究竟出在哪呢?經過電化學專家學者及電池生產廠家大量的理論分析與實踐,業界普遍認可的說法是“電池的串并聯成組應用一致性的好壞”是問題的關鍵,其應用結果的好壞會直接導致電池成組應用壽命的下降。此結果的產生是由于電池本身的電化學特性使然,此現象應該是電池成組的必然特性不可避免。有解決此類“電池電化學成組一致性特性變差”問題的辦法嗎?

  電池管理系統:一種系采用電子線路的辦法來解決此類問題,業界習慣稱為BMS的專為管理鋰動力電池串并聯成組應用的配套產品誕生了。

  BMS既可以通過控制充電機和電機控制器的管理手段,來防止鋰動力電池的“過充電”和“過放電”,解決人們擔心的電池安全問題,我們簡單的稱其為“限兩頭”;又可以通過利用電池電化學“拐點”特性的合理管理策略來解決所謂的電池“長壽命”問題,可謂是一舉兩得。

  經過幾年來北京奧運會和上海世博會BMS在電動車上的示范運行,其作用目前已被業界廣泛認可,更多的BMS參與電動車示范運行成功的典型案例也不勝枚舉。

  但有關BMS的技術論爭從沒停止過。由于鋰動力電池種類品種繁多,國內各主流電池廠又各自為戰,導致國內難以形成統一的技術標準,(在此值得一提的是小型卷繞式圓柱電池,國內外的外形尺寸技術標準是統一的)。BMS由此很難形成針對不同電池的技術標準。大量的重復性工作浪費在定制開發上,使得鋰動力電池與BMS之間由于技術不夠成熟配套爭議較大,相關技術標準難以出臺并試行。這不能不說是一件憾事。

  與此同時,鋰動力電池仍處于產業化發展初期,限于各種工藝路線不夠完善、鋰動力電池生產設備自動化程度不夠高等原因,許多中小型電池廠的產品品質還停留在相對原始的初級階段,動力電池出廠時的初始一致性就很難保證。更不要說為電動汽車配套應用后的電池一致性了。針對BMS的功能擴展,就不得不增加了有關專門為解決電池一致性問題而涌現出的各種平衡手段。

  五、幾種解決方案的比較

  許多有關BMS解決鋰動力電池“一致性”方案的初衷還是好的。單純從功能性解決問題的效果也是各有千秋,比如說有關解決鋰動力電池差異性的各種平衡方法,隨著鋰動力電池的產業化呼聲不斷高漲而迅速涌現。但這些方法是否真的能解決上述問題還有待商榷。為此,我們針對目前幾種主流的解決方案做以分析。

  1.被動均衡法 (能耗分流法):

  在傳統能耗型BMS系統中,均衡方式主要以被動均衡為主,采用單體電池并聯分流能耗電阻的方式,且只能在充電過程中做均衡工作,多余的能量杯消耗到能耗電阻上,效率為零。同時,均衡電流很小,通常小于100mA,對大容量電池的作用可以忽略不計,SOC估算精度也很低。

  被動均衡法工作原理:就是把整組電池系統中,串聯成組的單體電池電壓差異性,通過BMS進行電壓采集,以事先預設的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準,任何一只單體電池只要在充電時最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內電池差異時,即對組內單體電壓最高的那只電池,通過并聯在單體電池的能耗電阻進行放電電流,以此類推,一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個平衡周期。其目的就是通過放電均衡的辦法讓電池組內的電池電壓趨于一致。

  特點:

  1)原理簡單,實現容易;

  2)均衡電流小時,器件成本相對較低。

  問題:

  1)電阻能耗放電,浪費能量,產生熱量;

  2)由于放電電阻不可能選得太小,充電結束時,根據電池特性往往小容量電池的電壓是最高的,在靜態均衡時,放掉的恰恰是小容量電池的電量,反而加大了電池間的互差。

  2.主動均衡法(動態均衡法):

  主動均衡法是針對電池在使用過程中產生的容量個體差異及自放電率產生的電壓差異進行主動均衡的一種方法。其主要功能是無論電池組在充電、放電還是放置過程中,都可在電池組內部對于電池單體之間的差異性進行主動均衡,以消除電池成組后由于自身和使用過程中產生的各種不一致性。但由于均衡過程當中的能量轉移會因均衡電源自身的功效特性而產生熱損耗,以及電池的電化學特性中極化內阻的變化,并不能用簡單的能量均衡方式而真正解決問題。

  主動均衡法工作原理:利用能量轉移裝置將高能量電池的電量補充到低能量電池中。其實質是運用電池組內電池能量可單/雙向轉移的手段,讓電池組內電池電壓(容量)高的那只單體電池,或是組內總回路電池,或是另設一只單獨用于平衡用的獨立電池,通過電磁感應法,或單、雙向DC/DC的方法,將其富裕能量向組內其他電池電壓(容量)較低的電池,按排序法補充電能給組內容量較低的那只電池,此方法可以在電池充電、放電或電池靜置時進行。以期達到改善電池成組差異性的目的。

  特點:

  1)采用DC/DC雙向有源均衡電路均衡效率高;

  2)充電、放電和靜態過程中都做均衡;

  3)平衡電流大,均衡速度較快。

  問題:

  1)技術復雜,成本高,實現困難。

  2)因須頻繁切換均衡電路,對電池造成的傷害大,影響電池的壽命。

  原因:在均衡過程中,不斷地對電池進行充放電,造成極板活性材料過早老化(這是影響電池壽命的重要因素)。

  3.內均衡法(自然均衡法):

  內均衡技術是利用BMS在對串聯電池組充電的過程中,通過調節充電電流和控制充電電壓的拓撲算法,使得電池組中各單體電池荷電量達到基本一致的一種充電均衡技術。

  內均衡法工作原理:電池在充電過程中,其端電壓可表示為:U = E + I Ri

  其中,E為電池的電動勢,I為充電電流,Ri是電池的內阻。電池的內阻Ri又可以表示為:
Ri = RΩ+Rf

  RΩ是電池的歐姆電阻,Rf是電池的極化電阻。 RΩ較穩定,在充電過程中基本不發生變化。而Rf變化較大,在充電接近尾聲時,由于反應面減小,極化電阻會變大。  1、當電池端電壓達到恒壓點時,由于內阻的存在,電池的電動勢并沒有達到終止點,此時如果降低充電電流,電池的端電壓就會下降,即可以繼續充電。 2、串聯充電均衡過程:  當電池組中有一只電池的電壓達到恒壓點時,適當減小充電電流,繼續充電。重復以上過程,直至充電電流小于0.1C,充電結束。

  舉例:

   1、假設電池組中有兩只電池容量相同,由于自放電率等參數不同造成長期擱置后荷電量不同。 2、充電時,荷電量高的電池首先達到恒壓點,減小電流后繼續充電。根據鋰離子電池的特性,當電池接近充滿時,充電效率會下降。而此時低荷電量的電池還保持著較高的充電效率。到充電結束時,它們之間的差距就會減小一些,經過幾個循環之后,其荷電量會趨于一致。

  假設兩只電池的荷電量相同,但容量不同,根據上面相同的原理,經過多個充放循環后,兩只電池充電結束時的荷電量都能接近100%。 證明:設電池U1的容量C1大于電池U2的容量C2,充電時電池U2首先達到恒壓點,則電池U1的總體充電效率G1大于電池U2的效率G2(設二者初始容量都為0或同一起始點)。

  第一次充電結束時,電池U1的荷電量為 S1=(G1/G2)C2。     假設電池組放電到電池U2為0,然后充電。第二次充電結束時,電池U1的荷電量為S2=S1-C2+(G1/G2)C2。則有S2-S1=[(G1/G2)-1]C2, 由于G1>G2, 所以S2-S1>0,即S2>S1,可以得出結論:電池U1每充電后的荷電量總是大于自身前一次的荷電量。

  特點:1)可不基于SOC估算,算法簡單;2)沒有能量損失;3)沒有增加附加的充放過程,不影響電池壽命;4)不增加硬件設備;5)電池工作在較理想的工作點上。

  問題:如果電池組的荷電量相差很大,需要較長的時間才能均衡。

  成功案例:2005年國內某電池廠采用內均衡的BMS及充電機在河北香河“第一城”(國際會議中心)成功應用,八年來20輛游覽觀光車及配套充電機運行情況良好,電池在壽命期內無一損壞,用戶反映良好!

  近年來,BMS采用內均衡的方法在國內外80多家動力電池廠及不同車型的電動車廠家做過大量實際驗證,均取得了很好的應用效果,得到業界廣泛的好評。

  六、鋰動力電池的“長壽命”是追求目標

  經過對上述幾種均衡模式的認真比對,不難看出只有簡便實用的內均衡方式最為符合電池組的成組特性。

  大量的實踐案例也進一步證明了BMS的內均衡方式既省去了繁雜且違背電池固有規律的某些做法的硬件成本,又降低了鋰動力電池成組應用的運營成本;“限兩頭帶中間”的科學管理策略,充分發揮鋰動力電池充/放電平臺特性,使得鋰動力電池在保證“出廠一致性”的前提下,既保證了電池安全性,又可保證電池組的”循環壽命最大化“是BMS技術突破所追循的目標。

  七、突破BMS瓶頸迎接新能源汽車之春

  縱觀上述分析表明,BMS對鋰動力電池的成組應用的作用還是非常有效的。合理應用BMS的科學管理手段將表現為:

  1.保障動力電池組在電動汽車上的安全性;

  2.合理控制電池充/放電“拐點”,有效解決電池成組差異性的“趨壞”、“失控”,甚至提前“到壽”的怪現象,盡力保證電池組的循環壽命。

  在此需要重點強調的是,決不可用BMS來“包治百病”,鋰動力電池的出廠一致性是必須要保障的,只有在保證“電池出廠一致性”的標準前提下,加上BMS的科學管理手段的合理配合,在“電池拐點”允許的范圍內合理利用電池的“平臺特性”,才會使鋰動力電池的成組應用的效果達到最佳,進而達到電動汽車所要求的壽命周期的要求。而那些所謂的超“拐點”使用,拼命求取“滿充滿放”的電池平衡辦法對“電池循環壽命”及電池安全的不利影響會是顯而易見的。

  我們并不否認電網、整車廠和電池廠的合作是當前新能源汽車規模化發展的關鍵環節,但鋰動力電池成組技術應用一定是新能源汽車產業化之路的技術瓶頸,這項共性技術應用成果——BMS已經被業界所廣泛認可。

  整車、鋰動力電池、BMS三者之間的合理搭配才是新能源汽車走向產業化、規模化、市場化的正確之舉,這是毋庸置疑的,也只有完成了BMS這一技術瓶頸的重大突破,新能源汽車的產業化春天才會真正到來,我們期待。

 

方英民

新能源汽車電池成組管理應用技術專家

中國電源工業協會常務副理事長

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