一段時(shí)間以來只要趕上霧霾天，“細(xì)顆粒物”逼著家家不敢開窗時(shí)，北京市民就難免會(huì)萌起對(duì)政府大力扶持新能源汽車的殷切期盼。更何況電動(dòng)汽車已經(jīng)成了當(dāng)下的“熱詞”，但電動(dòng)汽車須用鋰動(dòng)力電池提供動(dòng)力源，國人們可能還是會(huì)相知甚少。其實(shí)這并不奇怪，人們更關(guān)心的是新能源汽車何時(shí)能真正商用化運(yùn)作且上路跑，而對(duì)于用什么能源作動(dòng)力的關(guān)心似乎還須一個(gè)“慢熱”的過程。
一、從新能源汽車發(fā)展的怪圈說起
的確，新能源汽車承載了太多的低碳效應(yīng)，節(jié)能減排，改善環(huán)境的重托，尤其是成為替代能源中最具有應(yīng)用價(jià)值的“明星范兒”現(xiàn)身國際舞臺(tái)，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(yùn)會(huì)說起，五十臺(tái)電動(dòng)大巴車在奧運(yùn)會(huì)的精彩亮相極大地鼓舞了國人的“電動(dòng)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(wǎng)為新能源汽車運(yùn)營而大興土木跑馬占荒式的充、換電站的搶先建設(shè)，都在不同程度上傳達(dá)給國人們一個(gè)非常清晰且欣喜的信號(hào)，新能源時(shí)代真的要來到了。
可現(xiàn)實(shí)往往總是會(huì)捉弄人，到頭來令國人們最不愿看到的一幕還是出現(xiàn)了。據(jù)中汽協(xié)官方網(wǎng)站不完全統(tǒng)計(jì)，2011年新能源汽車產(chǎn)銷量分別為8368輛和8159輛；2012年新能源汽車產(chǎn)銷量分別為12552輛和12791輛；兩年相比雖產(chǎn)銷數(shù)據(jù)略有增長，但距離國務(wù)院2012年7月9日發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》中規(guī)劃的“到2015年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭達(dá)到50萬輛；到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛”的目標(biāo)仍相去甚遠(yuǎn)。新能源汽車時(shí)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(xiàn)今的“門可羅雀”，國家及地方航母級(jí)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)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(jìn)步伐。如此“大躍進(jìn)”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(dòng)汽車與燃油車之PK
新能源汽車的市場化進(jìn)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(shí)人們所提及的車用新能源，主要是說用于電動(dòng)汽車的“動(dòng)力電池”及與其密切相關(guān)的“BMS”。
說起動(dòng)力電池其實(shí)人們并不陌生，早在上世紀(jì)1842年世界上就誕生了第一臺(tái)以不可充電電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車，它的問世甚至要早于以石油的衍生品——汽油燃料為動(dòng)力的汽油車（1887年）。石油時(shí)代的到來，并沒有給電動(dòng)汽車的成長帶來太多的發(fā)展契機(jī)，當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車以采用傳統(tǒng)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(dòng)力機(jī)械都離不開以石油為燃料做動(dòng)力源的身影。汽油的比能量高、轉(zhuǎn)換效率高、使用便捷，用在汽車等動(dòng)力機(jī)械上幾乎無可匹敵。但同時(shí)另一個(gè)問題不可避免的出現(xiàn)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(yuǎn)去。隨著石油資源的日漸枯竭，“夢魘”中的石油危機(jī)似乎就在面前。同時(shí)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(yīng)。
人類呼吁低碳，呼吁環(huán)保，呼吁節(jié)能，呼吁綠色能源，也給新能源汽車帶來了新的發(fā)展良機(jī)，新能源汽車作為此商機(jī)的最大受益者即將形成新的的市場拉動(dòng)力，面對(duì)新能源汽車技術(shù)路線和技術(shù)創(chuàng)新的重大變革，用以適應(yīng)市場化的新需求，人們?cè)诼N首以待。
三、鋰動(dòng)力電池的安全和壽命
以能量型動(dòng)力鋰離子電池（鋰動(dòng)力電池）為突出代表的新能源汽車的新型動(dòng)力源在世紀(jì)初問世了。做為新能源時(shí)代的能量載體可謂應(yīng)運(yùn)而生，以其相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸電池體積更小、重量更輕、比能量比功率更高、循環(huán)壽命更長，可高倍率充\放電等突出特點(diǎn)，迅速成為了新能源汽車的首選。
從客觀事物的發(fā)展分析，事物總是一分為二的，鋰動(dòng)力電池也不例外，在給人們帶來更多欣喜的同時(shí)，其安全性相對(duì)于傳統(tǒng)電池偏弱的特點(diǎn)也逐漸暴露出來，近年來見諸媒體報(bào)端的多起電動(dòng)車燃燒事故，以及今年1月16日發(fā)生的日本全日空航空公司一架波音787客機(jī)艙內(nèi)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(dòng)力電池電動(dòng)車到底安不安全？因此如何評(píng)價(jià)并解決電動(dòng)車的安全性成為了對(duì)鋰動(dòng)力電池應(yīng)用的必要條件。當(dāng)然隨著技術(shù)的進(jìn)步以及鋰動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，這個(gè)令人苦惱的問題似乎已經(jīng)在各方的努力下有了質(zhì)的改進(jìn)，從客觀上分析，鋰動(dòng)力電池自身的安全性目前已經(jīng)有了大踏步的提高。
但一個(gè)更為令人難以破解的問題又?jǐn)[在了世人的面前，電動(dòng)汽車相對(duì)于汽油車仍面臨著跑不快、跑不遠(yuǎn)、體積重量比大、價(jià)格貴等不利因素，仍在阻礙著其迅速發(fā)展。
尤其是各電池廠向用戶承諾的千次以上的鋰動(dòng)力電池循環(huán)壽命也僅限于單體電池，而成組應(yīng)用時(shí)壽命往往會(huì)大打折扣。究其原因之一，是因?yàn)殡妱?dòng)汽車并不像手機(jī)電池那樣是單只電池應(yīng)用，而需要多只電池的串并聯(lián)，但電池只要一成組應(yīng)用，其“一致性趨減”的問題就凸顯出來了，即使在電池出廠時(shí)一致性偏好的情況下，只要在電動(dòng)汽車特有工況的環(huán)境（電池在電動(dòng)車的擺放位置不同、溫度場不同）下應(yīng)用一段時(shí)間，因電池組串并聯(lián)引起的的電化學(xué)特性的改變，電池串并聯(lián)成組后的差異性就會(huì)顯現(xiàn)，從而導(dǎo)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(yīng)”，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(huán)壽命。所謂的鋰動(dòng)力電池的長壽命因此被打上了大大的引號(hào)，這恰恰是人們最不愿看到的現(xiàn)象。
此問題得不到真正的解決將會(huì)極大的“拖住”新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的前進(jìn)步伐。
四、BMS是解決電池成組應(yīng)用的關(guān)鍵
問題究竟出在哪呢？經(jīng)過電化學(xué)專家學(xué)者及電池生產(chǎn)廠家大量的理論分析與實(shí)踐，業(yè)界普遍認(rèn)可的說法是“電池的串并聯(lián)成組應(yīng)用一致性的好壞”是問題的關(guān)鍵，其應(yīng)用結(jié)果的好壞會(huì)直接導(dǎo)致電池成組應(yīng)用壽命的下降。此結(jié)果的產(chǎn)生是由于電池本身的電化學(xué)特性使然，此現(xiàn)象應(yīng)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(xué)成組一致性特性變差”問題的辦法嗎？
電池管理系統(tǒng)：一種系采用電子線路的辦法來解決此類問題，業(yè)界習(xí)慣稱為BMS的專為管理鋰動(dòng)力電池串并聯(lián)成組應(yīng)用的配套產(chǎn)品誕生了。
BMS既可以通過控制充電機(jī)和電機(jī)控制器的管理手段，來防止鋰動(dòng)力電池的“過充電”和“過放電”，解決人們擔(dān)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(xué)“拐點(diǎn)”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(jīng)過幾年來北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)BMS在電動(dòng)車上的示范運(yùn)行，其作用目前已被業(yè)界廣泛認(rèn)可，更多的BMS參與電動(dòng)車示范運(yùn)行成功的典型案例也不勝枚舉。
但有關(guān)BMS的技術(shù)論爭從沒停止過。由于鋰動(dòng)力電池種類品種繁多，國內(nèi)各主流電池廠又各自為戰(zhàn)，導(dǎo)致國內(nèi)難以形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，（在此值得一提的是小型卷繞式圓柱電池，國內(nèi)外的外形尺寸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的）。BMS由此很難形成針對(duì)不同電池的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。大量的重復(fù)性工作浪費(fèi)在定制開發(fā)上，使得鋰動(dòng)力電池與BMS之間由于技術(shù)不夠成熟配套爭議較大，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺(tái)并試行。這不能不說是一件憾事。
與此同時(shí)，鋰動(dòng)力電池仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，限于各種工藝路線不夠完善、鋰動(dòng)力電池生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度不夠高等原因，許多中小型電池廠的產(chǎn)品品質(zhì)還停留在相對(duì)原始的初級(jí)階段，動(dòng)力電池出廠時(shí)的初始一致性就很難保證。更不要說為電動(dòng)汽車配套應(yīng)用后的電池一致性了。針對(duì)BMS的功能擴(kuò)展，就不得不增加了有關(guān)專門為解決電池一致性問題而涌現(xiàn)出的各種平衡手段。
五、幾種解決方案的比較
許多有關(guān)BMS解決鋰動(dòng)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(guān)解決鋰動(dòng)力電池差異性的各種平衡方法，隨著鋰動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化呼聲不斷高漲而迅速涌現(xiàn)。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(duì)目前幾種主流的解決方案做以分析。
1.被動(dòng)均衡法 (能耗分流法）：
在傳統(tǒng)能耗型BMS系統(tǒng)中，均衡方式主要以被動(dòng)均衡為主，采用單體電池并聯(lián)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(shí)，均衡電流很小，通常小于100mA，對(duì)大容量電池的作用可以忽略不計(jì)，SOC估算精度也很低。
被動(dòng)均衡法工作原理：就是把整組電池系統(tǒng)中，串聯(lián)成組的單體電池電壓差異性，通過BMS進(jìn)行電壓采集，以事先預(yù)設(shè)的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即對(duì)組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)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(dá)“上限閾值電壓”為一個(gè)平衡周期。其目的就是通過放電均衡的辦法讓電池組內(nèi)的電池電壓趨于一致。
特點(diǎn)：
1）原理簡單，實(shí)現(xiàn)容易；
2）均衡電流小時(shí)，器件成本相對(duì)較低。
問題：
1）電阻能耗放電，浪費(fèi)能量，產(chǎn)生熱量；
2）由于放電電阻不可能選得太小，充電結(jié)束時(shí)，根據(jù)電池特性往往小容量電池的電壓是最高的，在靜態(tài)均衡時(shí)，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(dòng)均衡法（動(dòng)態(tài)均衡法）：
主動(dòng)均衡法是針對(duì)電池在使用過程中產(chǎn)生的容量個(gè)體差異及自放電率產(chǎn)生的電壓差異進(jìn)行主動(dòng)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(nèi)部對(duì)于電池單體之間的差異性進(jìn)行主動(dòng)均衡，以消除電池成組后由于自身和使用過程中產(chǎn)生的各種不一致性。但由于均衡過程當(dāng)中的能量轉(zhuǎn)移會(huì)因均衡電源自身的功效特性而產(chǎn)生熱損耗，以及電池的電化學(xué)特性中極化內(nèi)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(dòng)均衡法工作原理：利用能量轉(zhuǎn)移裝置將高能量電池的電量補(bǔ)充到低能量電池中。其實(shí)質(zhì)是運(yùn)用電池組內(nèi)電池能量可單/雙向轉(zhuǎn)移的手段，讓電池組內(nèi)電池電壓（容量）高的那只單體電池，或是組內(nèi)總回路電池，或是另設(shè)一只單獨(dú)用于平衡用的獨(dú)立電池，通過電磁感應(yīng)法，或單、雙向DC/DC的方法，將其富裕能量向組內(nèi)其他電池電壓（容量）較低的電池，按排序法補(bǔ)充電能給組內(nèi)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(shí)進(jìn)行。以期達(dá)到改善電池成組差異性的目的。
特點(diǎn)：
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(tài)過程中都做均衡；
3）平衡電流大，均衡速度較快。
問題：
1）技術(shù)復(fù)雜，成本高，實(shí)現(xiàn)困難。
2）因須頻繁切換均衡電路，對(duì)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(duì)電池進(jìn)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(nèi)均衡法（自然均衡法）：
內(nèi)均衡技術(shù)是利用BMS在對(duì)串聯(lián)電池組充電的過程中，通過調(diào)節(jié)充電電流和控制充電電壓的拓?fù)渌惴ǎ沟秒姵亟M中各單體電池荷電量達(dá)到基本一致的一種充電均衡技術(shù)。
內(nèi)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(dòng)勢，I為充電電流，Ri是電池的內(nèi)阻。電池的內(nèi)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(wěn)定，在充電過程中基本不發(fā)生變化。而Rf變化較大，在充電接近尾聲時(shí)，由于反應(yīng)面減小，極化電阻會(huì)變大。 1、當(dāng)電池端電壓達(dá)到恒壓點(diǎn)時(shí)，由于內(nèi)阻的存在，電池的電動(dòng)勢并沒有達(dá)到終止點(diǎn)，此時(shí)如果降低充電電流，電池的端電壓就會(huì)下降，即可以繼續(xù)充電。 2、串聯(lián)充電均衡過程： 當(dāng)電池組中有一只電池的電壓達(dá)到恒壓點(diǎn)時(shí)，適當(dāng)減小充電電流，繼續(xù)充電。重復(fù)以上過程，直至充電電流小于0.1C，充電結(jié)束。
舉例：
1、假設(shè)電池組中有兩只電池容量相同，由于自放電率等參數(shù)不同造成長期擱置后荷電量不同。 2、充電時(shí)，荷電量高的電池首先達(dá)到恒壓點(diǎn)，減小電流后繼續(xù)充電。根據(jù)鋰離子電池的特性，當(dāng)電池接近充滿時(shí)，充電效率會(huì)下降。而此時(shí)低荷電量的電池還保持著較高的充電效率。到充電結(jié)束時(shí)，它們之間的差距就會(huì)減小一些，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)之后，其荷電量會(huì)趨于一致。
假設(shè)兩只電池的荷電量相同，但容量不同，根據(jù)上面相同的原理，經(jīng)過多個(gè)充放循環(huán)后，兩只電池充電結(jié)束時(shí)的荷電量都能接近100%。 證明：設(shè)電池U1的容量C1大于電池U2的容量C2，充電時(shí)電池U2首先達(dá)到恒壓點(diǎn)，則電池U1的總體充電效率G1大于電池U2的效率G2(設(shè)二者初始容量都為0或同一起始點(diǎn))。
第一次充電結(jié)束時(shí)，電池U1的荷電量為 S1=(G1/G2)C2。 假設(shè)電池組放電到電池U2為0，然后充電。第二次充電結(jié)束時(shí)，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(jié)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(diǎn)：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(shè)備；5）電池工作在較理想的工作點(diǎn)上。
問題：如果電池組的荷電量相差很大，需要較長的時(shí)間才能均衡。
成功案例：2005年國內(nèi)某電池廠采用內(nèi)均衡的BMS及充電機(jī)在河北香河“第一城”（國際會(huì)議中心）成功應(yīng)用，八年來20輛游覽觀光車及配套充電機(jī)運(yùn)行情況良好，電池在壽命期內(nèi)無一損壞，用戶反映良好！
近年來，BMS采用內(nèi)均衡的方法在國內(nèi)外80多家動(dòng)力電池廠及不同車型的電動(dòng)車廠家做過大量實(shí)際驗(yàn)證，均取得了很好的應(yīng)用效果，得到業(yè)界廣泛的好評(píng)。
六、鋰動(dòng)力電池的“長壽命”是追求目標(biāo)
經(jīng)過對(duì)上述幾種均衡模式的認(rèn)真比對(duì)，不難看出只有簡便實(shí)用的內(nèi)均衡方式最為符合電池組的成組特性。
大量的實(shí)踐案例也進(jìn)一步證明了BMS的內(nèi)均衡方式既省去了繁雜且違背電池固有規(guī)律的某些做法的硬件成本，又降低了鋰動(dòng)力電池成組應(yīng)用的運(yùn)營成本；“限兩頭帶中間”的科學(xué)管理策略，充分發(fā)揮鋰動(dòng)力電池充/放電平臺(tái)特性，使得鋰動(dòng)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(huán)壽命最大化“是BMS技術(shù)突破所追循的目標(biāo)。
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(duì)鋰動(dòng)力電池的成組應(yīng)用的作用還是非常有效的。合理應(yīng)用BMS的科學(xué)管理手段將表現(xiàn)為：
1.保障動(dòng)力電池組在電動(dòng)汽車上的安全性；
2.合理控制電池充/放電“拐點(diǎn)”，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(xiàn)象，盡力保證電池組的循環(huán)壽命。
在此需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，決不可用BMS來“包治百病”，鋰動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)前提下，加上BMS的科學(xué)管理手段的合理配合，在“電池拐點(diǎn)”允許的范圍內(nèi)合理利用電池的“平臺(tái)特性”，才會(huì)使鋰動(dòng)力電池的成組應(yīng)用的效果達(dá)到最佳，進(jìn)而達(dá)到電動(dòng)汽車所要求的壽命周期的要求。而那些所謂的超“拐點(diǎn)”使用，拼命求取“滿充滿放”的電池平衡辦法對(duì)“電池循環(huán)壽命”及電池安全的不利影響會(huì)是顯而易見的。
我們并不否認(rèn)電網(wǎng)、整車廠和電池廠的合作是當(dāng)前新能源汽車規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但鋰動(dòng)力電池成組技術(shù)應(yīng)用一定是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化之路的技術(shù)瓶頸，這項(xiàng)共性技術(shù)應(yīng)用成果——BMS已經(jīng)被業(yè)界所廣泛認(rèn)可。
整車、鋰動(dòng)力電池、BMS三者之間的合理搭配才是新能源汽車走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)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(shù)瓶頸的重大突破，新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化春天才會(huì)真正到來，我們期待。
（作者系新能源汽車電池成組管理應(yīng)用技術(shù)專家，中國電源工業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)副理事長）
