車用動力鋰電池及BMS系統(tǒng)介紹

車用動力鋰電池基礎(chǔ)介紹keyoru-n_M￡LF=NQmeas.voltageL*currenttemperatureestimatestateofcharge(SOC)estimate■slateofhealth(SOH)looponceeachmeasuremertlintervalwhilepackisactivekeyoru-n_M￡LF=NQmeas.voltageL*currenttemperatureestimatestateofcharge(SOC)estimate■slateofhealth(SOH)looponceeachmeasuremertlintervalwhilepackisactive■,■前言新能源汽車產(chǎn)業(yè)方興未艾，車用動力電池作為其核心部件受到了廣泛的關(guān)注，然而由于專注領(lǐng)域的不同傳統(tǒng)的汽車動力總成工程師對于動力電池并不十分了解。德國Voltavision公司作為車用動力電池測試領(lǐng)域的領(lǐng)跑者對寸動力電池本身及其測試和開發(fā)都有著深入的研究，并且能夠向國內(nèi)客戶提供專業(yè)的技術(shù)咨詢及培訓(xùn)服務(wù)。本文基于Voltavision公司的電池技術(shù)培訓(xùn)，對車用動力鋰電池做一些科普性的介紹。基本概念介紹首先介紹兩個評價動力電池性能的基本概念——能量密度與功率密度。能量密度表征單位質(zhì)量或體積下電池所能提供的能量(Wh/kg或Wh/l)，對于車用動力電池而言，電池的能量密度直接影響其續(xù)航里程;功率密度表征點位質(zhì)量或體積下電池的有用功率(W/kg或W/l),功率密度影響其加速性能。理想的車用動力電池希望兼顧高的能量/功率密度需求、安全性以及壽命。在車用電池的發(fā)展過程中先后出現(xiàn)了鉛酸電池(Lead-Acid)，鐐氫電池(NiMH)和鋰離子電池(Li-IonBattery,LIB)等電池技術(shù)，就作為汽車動力而言，LIB以其較高的能量/功率密

度及單體電壓，成為目前新能源汽車廠商廣泛采用的電池技術(shù)。下表為三類電池技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用的簡要對比。電池技術(shù)Lead-AcidNiMHLi-IonBattery能量密度30Wh/kg80Wh/kg150-250Wh/kg功率密度<0.5W/kg>1kW/kg0.3-2kW/kg單體電壓2V1.2V3.3-3.8V優(yōu)勢成本低，管理簡單，不存在過充/過放等問題安全能量/功率密度與成本適中，不需要監(jiān)測單體電壓，安全能量/功率密度高效率高，自放電少劣勢能量/功率密度非常低不適合作為車用動力單體電壓太低過充/過放導(dǎo)致電池?fù)p壞需要精確的電池管理成本高，工作溫度區(qū)間小應(yīng)用場合起動機，電動自行車車用低壓電源HEV（普銳斯）HEV,PHEV,BEV鋰離子電池的工作原理及其產(chǎn)生的相應(yīng)安全問題鋰離子電池主要是依靠鋰離子在充放電過程中在正極和負(fù)極之間來回移動來工作。下圖所示為鋰離子電池放電時的工作狀態(tài)

Anodet@Anodet@當(dāng)正極（鋁箔）與負(fù)極（銅箔）之間接入負(fù)載時，原本嵌入于負(fù)極活性材料（石墨）中的鋰離子脫嵌并穿過隔膜到達(dá)正極活性材料（含鋰的金屬氧化物），脫嵌時的電子經(jīng)過負(fù)載到達(dá)正極與鋰離子匯合，產(chǎn)生電流。隔膜僅允許鋰離子通過，從而保證電池不會內(nèi)部短路。SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜）是在電池首次充放電過程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)而形成的一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。負(fù)極材料表面的SEI膜對電池的性能有很大的影響：一方面，SEI膜防止了電解液對電極材料造成的破壞，而另一方面，SEI膜會不可逆地持續(xù)變厚而使得鋰離子穿過SEI膜愈發(fā)費力逐漸使電池內(nèi)阻增加老化報廢;稱為日歷壽命，CalendricAging）。在充電過程中，鋰離子反向流回負(fù)極，電子反向流回負(fù)極并處于更高的能量狀態(tài)，鋰離子與電子重新嵌入到石墨中。由于鋰離子的體積略大于石墨的分子結(jié)構(gòu)，故每次充放電的過程中均伴有反復(fù)的形變，最終導(dǎo)致活性材料結(jié)構(gòu)的損壞以及活性材料與電極之間的脫落，使電池內(nèi)阻增加，老化報廢（稱為循環(huán)壽命，CyclicAging）。

從鋰電池的工作過程可以看出，過充、過放以及工作溫度不僅會對鋰電池的工作產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，還會有嚴(yán)重的安全問題，下表列出了涉及鋰電池安全的一些外部因素因素相關(guān)說明過充電（電池電壓過高）由于鋰電池負(fù)極材料石墨中所嵌入的鋰的含量超過了它所承受的范圍，多余的鋰離子就會和負(fù)極中穿梭而來的電子結(jié)合，在負(fù)極表面上以金屬鋰析出，形成鋰枝晶，當(dāng)鋰枝晶生長到一定程度便會刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路。過放電（電池電壓過低）由于負(fù)極已經(jīng)沒有可以脫嵌的鋰離子，負(fù)極的銅集流體會逐步發(fā)生電化學(xué)溶解或腐蝕，析出的銅離子會形成絕緣的腐蝕層，使被包裹的活性材料失活，致使內(nèi)阻增大，容量下降；過放電同樣也會使正極活性材料活性下降，降低電池的性能。高溫高溫一方面會加速電池的老化，另一方面也容易導(dǎo)致電池過充；過高的溫度會使電池內(nèi)部壓力升高，有爆炸和燃燒的風(fēng)險低溫低溫會導(dǎo)致電池充放電性能降低，還會影響電池壽命外部短路短路導(dǎo)致電池溫度過高，引發(fā)電池自燃或爆炸處置不當(dāng)猛烈撞擊，振動等所以，對于電池測試廠商、電動車生產(chǎn)廠商等相關(guān)企業(yè)必須進(jìn)行嚴(yán)格的電池測試相關(guān)培訓(xùn)。鋰離子電池的分類可以按照正極活性材料的不同來對LIB進(jìn)行分類，不同的活性材料顯示出不同的電池特性，應(yīng)該依據(jù)不同的需求合理的選擇電池。目前主流的車用動力電池主要有三種，其主要性能對比如下：錳酸鋰(LiMn2O4,LMO)磷酸鐵鋰(LiFePO4,LFP)三元鋰電池(LiNiCoMnO,NMC;LiNiCoAlO,NCA)xyz2 xyz2 '■電池正極材料LMOLFPNMC/NCA能量密度O-+功率密度++Oo循環(huán)壽命O++o安全性+++o成本成本最低成本居中成本高高低溫性能熱穩(wěn)定性最好低溫性能差高溫容易分解應(yīng)用舉例日產(chǎn)聆風(fēng)比亞迪E6特斯拉ModelS對于負(fù)極活性材料，目前的主流是不同形式的碳基(比如石墨)，這種電池的制約是循環(huán)壽命；另一種已經(jīng)應(yīng)用的材料是鋰鈦氧化物(LTO),具有非常好的安全性和高低溫性能，但其能量密度只有傳統(tǒng)鋰電池的50%-60%，制約了其在車用動力領(lǐng)域的應(yīng)用。目前以提高電池容量和壽命的電極活性材料研究仍在不斷進(jìn)行中。BMS的功能由于鋰電池在使用過程中嚴(yán)苛的要求，必須對電池的充放電以及溫度進(jìn)行精確地管理，這便是BMS存在的意義。在介紹BMS的功能之前，首先介紹幾個電池管理中的常用概念。荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC):表征電池當(dāng)前剩余電量的百分比，電量充滿時SOC為100%，放出標(biāo)稱容量后的SOC為0%oSOC的估算是BMS的一項重要任務(wù)，它指示著電動車當(dāng)前的剩余續(xù)航里程。電池的健康狀態(tài)(StateofHealth,SOH):電池實際容量與標(biāo)稱容量的百分比，隨著電池的老化，其容量逐漸減少，通常規(guī)定SOH=80%時，電池失效。開路電壓（OpenCircuitVoltage,OCV）:電源在開路狀態(tài)下的端電壓，鋰離子電池在充放電結(jié)束后需要靜置一段時間才能達(dá)到端電壓的穩(wěn)定狀態(tài)，此時的開路電壓能夠反映出電池當(dāng)前的SOC，故OCV經(jīng)常用于SOC的估算?；趯︿囯姵卦砗桶踩缘慕榻B，可以將BMS的功能概括為保護(hù)電池、均衡不同單體之間的電壓、估算電荷狀態(tài)（$00為了實現(xiàn)這些功能，BMS需要進(jìn)行以下工作：測量每一個電池單元的相關(guān)參數(shù)（電壓，電流，溫度），與限值進(jìn)行比較并做出反應(yīng)：控制電池的溫度，限值電流或功率，均衡電池電壓，緊急狀況下切斷電源；分析SOC以預(yù)估行駛里程，與整車上的其它控制器通訊。對于電池的均衡：由于生產(chǎn)制造上的差異，不同的電池單體存在著容量上，內(nèi)阻上，老化速率，SOC等等方面的不同，這些都會表現(xiàn)為不同的單體電壓，這種不一致性會影響電池的充放電能力及循環(huán)壽命。通過BMS的均衡可以改善這種不一致性，更充分的利用電池的能量。對于電池的均衡，有兩種不同的方案：主動均衡與被動均衡。主動均衡的思路是將高電壓電池單體的能量轉(zhuǎn)移給低電壓的電池單體，這樣不存在過多的能量損失，但在技術(shù)實現(xiàn)上有難度，尚在研發(fā)階段；被動均衡的主要途徑是電阻能耗法，通過與要均衡的電池單體并聯(lián)電阻的形式，將一部分能量作為熱量消耗掉，從而達(dá)到均衡的目的，這種方法便于實現(xiàn)，但存在能量損失。對于SOC的估算，也是BMS的重要工作。通過SOC的估算，可以輔助判斷續(xù)航里程，也可以作為均衡是否使能的判斷。SOC的估算是非常較復(fù)雜的，下圖只是簡介一種估算的方式。IsocBMS通過測量到的電流，單體電壓和溫度作為估算SOC的輸入量。當(dāng)電池充滿的狀態(tài)信號發(fā)送給庫倫計數(shù)器(Coulombcounter)后，即確定SOC為100%，庫倫計數(shù)器用來計算能量的流入和流出，再依據(jù)empty狀態(tài)確定的電池的容量，即可得之目前電池的余量，利用百分比計算后即為SOC。右側(cè)圖中有利用T、U確定的OCV-SOC曲線，可以用來修正SOC，而不同放電速率也會產(chǎn)生不同程度的熱損失，由圖中所示的‘estimateloss’部分來完成。此外，BMS也負(fù)責(zé)著車用電池的冷卻系統(tǒng)、制動能量回收系統(tǒng)的管理，并根據(jù)測量的U、I、T等參數(shù)進(jìn)行一些限值的計算，比如：最大充放電電流，電池內(nèi)阻，循環(huán)數(shù)等相關(guān)信息。BMS的開發(fā)是電動汽車的核心技術(shù)，在這方面Voltavision公司也有著豐富的開發(fā)經(jīng)驗。電池測試及性能評估車用動力鋰電池存在使用安全性及不斷老化性能衰減等問題為了高效且安全地對電池的性能、功能、耐久性等進(jìn)行評估，必須采用專業(yè)的電池