我国锂电池及其配套产业发展现状与展望

吴鹏

摘要：锂电池因其多项优点已经成为储能与动力电池的主流。文章首先介绍了锂电池的主要材料和关键技术，随后对锂电池必需的管理系统进行了介绍，尤其是对其中的均衡、SOC等关键技术做了分析，最后展望了锂电池及BMS产业的发展方向和未来趋势。

关键词：锂电池；BMS原理；储能与动力电池；参数检测技术；均衡技术；SOC估计方法 文献标识码：A

中图分类号：TM912 文章编号：1009-2374（2015）35-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.002

1 概述

随着社会文明的不断进步，人们对储能装置的要求越来越高。高质量、低价格的蓄电池在未来以电能为基础的社会中将起起举足轻重的作用。蓄电池不仅给移动设备提供电能，还可以存储风光能等不连续能量，而依赖蓄电池技术的各种电动车辆更是减少污染的重要途径。在各种蓄电池中，锂电池由于体积小、重量轻、无记忆效应等优势而得到了广泛应用，可以说凡是需要使用移动、储能等电源的场合都有锂电池的身影。锂电池由于具有严禁过充过放等特点，所以必须配备能实时监控的保护设备；同时由于电池组中各单体之间必然存在的差异性，所以完善的锂电管理系统不仅包括先进的保护技术，还应针对各领域的特点制定合理的均衡方案。除保护均衡之外，锂电管理系统还应具有电量估计、温度监控、通信等附加功能。本文首先对锂电池的关键技术进行介绍，随后将对锂电管理系统的核心技术进行阐述，最后对我国锂电池及其配套管理系统产业的发展提出了个人的一点观点和建议。

2 锂电池关键技术

锂是元素周期表中原子量最小的金属，具有比重量与电化学当量小、电极电势最负（-3.045V）的性质。因此锂作为负极的锂电池具有开路电压与比功率高、使用寿命长等特点，在各个领域都得到了广泛的应用。尤其是锂电不含有毒重金属如镉、铅、汞等，对环境无污染，所以在环境问题日益严重的当代越来越受到青睐。

锂电池的关键技术主要集中在正负极材料、电解质和隔膜上，材料的性能和制备工艺很大程度上决定了电池的性能。目前市场上正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂等，其中钴酸锂是现有正极材料中技术最成熟、产量最大的品种，主要用于手机、数码产品等小型电池领域，但由于原材料价格高、污染重，且电池在大型化后有过热着火的危险，故相对而言锰酸锂和磷酸铁锂的锂电池安全性能更好，成本更低，其中磷酸铁锂由于具有另外两种材料所不具备的循环寿命和成本优势，代表着动力电池正极材料的发展方向。负极材料一般为各种碳材料和金属氧化物，目前比较成功的碳材料有石墨、微珠碳、裂解碳等，其中天然石墨由于具有低的嵌入电位、优良的嵌入脱嵌性能，已成为主流。隔膜是保证锂电池安全稳定工作的核心，主要难点在于材料的厚度、强度、孔径等指标的实现。受技术门槛的限制，目前仅有日本、美国拥有隔膜的核心专利与产业化能力。国内锂电池隔膜的研发工作起步较晚，尤其缺乏高端产品的核心技术，导致80%以上隔膜依赖于进口。电解质也是锂电池的关键材料，在电池正负极之间起到传导电子的作用；按电解质的不同可分为有机电解液和聚合物电解质。LiPF6/EC+DMC是目前公认的最佳电解质，但由于制备复杂导致价格十分昂贵，因此寻找低成本的电解质仍然是一项十分重要的工作。电解质的稳定性也是当前研究热点。固态电解质因具有良好的化学稳定性和黏弹性，并可以任意塑形且无渗漏问题，因此更能满足便携式产品微型化的要求，所以成为锂电池的一个重要研究方向。

3 BMS原理与核心技术

BMS的基本工作原理是MCU采集传感器提供的电流、电压、温度等电池工作参数，从而对电池的工作情况进行分析，估算其剩余电量，决定是否启动保护电路或进行均衡；电池工作状态可通过显示屏显示，也可以与上位机进行通信，从而实现远程监控。

3.1 参数检测技术

电池参数检测主要包括电池组中各单体电压、电流、温度等的检测。电压测量的常用方法是对每个单体电池配置一个电压检测电路，检测到的数据通过一个光耦隔离器传递给主控MCU以消除共模干扰。普通电池组的电流可通过串入回路的电流检测电阻进行检测，而动力锂离子电池组的电流往往比较大，常采用霍尔电流传感器。温度参数直接关系到电池组的性能甚至安全，传统的温度传感器可以使用温敏电阻；而数字温度传感器具有精度高、转换速度快、易于编程控制等优点，是温度测量元件的发展趋势，如美国Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18B20。随着半导体技术的发展，目前锂电池组的多参数检测可以使用专用IC实现，如Linear公司的LTC6802，可以对4～12节电池组进行电压电流的检测，并具有更多电池的扩展功能。这些专用IC具有电路简单、功能全面、性能可靠等优点，已经成为锂电检测的首选。

3.2 均衡技术

均衡技术是电池组管理的核心问题，这一点对我国而言尤为重要，因为国产电池的一致性相比国外高端电池有很大差距，所以均衡的压力更大。目前主流的均衡策略有基于电池实际电量和电池端电压两种。基于电池端电压的均衡是以各单体的端电压作为均衡依据，以端电压趋于一致为均衡目的。这种均衡策略比较简单，但是在实际工作中端电压往往和电池的实际电量不能精确对应。基于实际电量的均衡前提是剩余电量的精确估计（SOC）。锂电池由于结构和模型的复杂性，其SOC特性受许多不确定因素的影响，因此如何依据可测的参数对SOC做出准确的估计是当前亟待解决的难题。

均衡控制的实现方法依据能量处理方式可分为能量损耗型与非损耗型。耗散型均衡通过在电池两端并联旁路分流电阻消耗多余能量来实现均衡，即给每节电池都连接一个旁路分流电阻，一旦某单体电压超过门限值，则对应的分流电路开启进行放电，将其电压拉低以达到平衡。这种方法具有实现简单、成本低廉的优点，但同时存在热管理问题，而且由于各种条件限制，旁路电流一般很小，故而均衡效果不理想。能量非耗散型均衡是指能量在电池组中各单体之间转移以达到均衡，这种均衡方式存在多种电路拓扑结构，C.Pascual等人提出的均衡方式是利用开关和电容组合实现能量在相邻电池之间的传递，即将电压高的电池能量先转移到电容上，再从电容转移到电压低的电池上，最终实现所有电池的电压趋于一致。该类均衡方案的优点是不存在能量浪费和热管理问题；缺点是电路实现复杂，目前还不适用于串数多的电池组。

3.3 SOC估计方法

基于SOC的均衡策略前提是SOC的精确估计。锂电池由于结构和模型的复杂性，其SOC特性受许多不确定因素的影响：不同的充放电倍率与温度下锂电端电压和最终SOC有很大不同，而随着锂电循环充放次数的增多，其可用容量会下降，因此如何依据可测的参数对SOC做出准确估计十分困难。目前业界常用的在线SOC估计方法有安时积分法、开路电压法、神经网络法以及卡尔曼滤波法等。安时积分法通过积分计算一段时间内电池流进或流出的容量来计算SOC，并根据温度和充放电倍率这些影响因素对其进行补偿，目前已成功用于消费电子产品SOC的估计。这种方法问题在于如何求得补偿系数与电量初始值，此外电流测量误差直接关系到SOC估计的精度。

电池开路电压OCV与SOC在一定条件下表现为一定的曲线对应关系，可利用这一关系来估算SOC。但是为了真实测得电池开路电压需要消除电池自恢复效应，这个过程耗时较长；另外，OCV与SOC的对应曲线在中间段斜率很小，如果这时根据OCV来估算误差就较大。所以开路电压法不能实时估计SOC，但可以为其他估计算法提供初始SOC值。神经网络可以利用自身的学习能力对电池系统进行模拟。SOC估计的神经网络一般有输入层、输出层与中间层。其中输入量包括电池电压、内阻、充放电电流、温度以及放出电量。由于需要对这些输入量数据实施训练，所以神经网络法的缺点就是不同批次的电池训练方法也不同，除非将来电池形成统一标准，否则这种方法很难推广。卡尔曼滤波是根据前时刻的状态，通过递推来估算当前时刻的状态值。对于锂电这种非线性系统，可以先通过偏导矩阵近似线性化，再结合卡尔曼滤波进行估计，称为扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）。锂电输出是内部综合这一刻之前所有时刻的累积的结果，因此我们常用电池的上一个状态参数来估计当前时刻的工作状态，即将电池的电流、工作温度等参数作为系统的输入，SOC作为状态参量，电池电压作为输出，利用EKF进行锂电池SOC的估算。EKF法的模型最贴近电池实际情况，理论精度也最高，但是由于电池模型的复杂性以及计算量难以控制等缺陷，实用化还很难，这也是未来研究的重点。随着电动汽车的兴起很多国际汽车巨头开发了多种BMS系统，比较著名的有美国通用公司的电动汽车EVI上的BMS系统、特斯拉电动轿车BMS等。国内比较知名的有：哈尔滨冠拓电源开发的BMS，具有实时监控、SOC估算、数据传输等功能；安徽力高新能源，其产品涵盖大巴和轿车BMS，成为江淮、奇瑞等知名汽车企业的供应商。

4 总结与展望

锂电池在手机、笔记本等数码产品上得到了普及，并且已经涉及到电动工具、照明、电动车辆以及航空航天、军事装备等诸多领域，对电子、汽车、太阳能、航空航天等众多支柱产业产生了深远影响。锂电池因其所具备的高能量密度、长寿命、环保等多项优势，各国都对其产业发展大力扶持。目前我国对新能源的鼓励政策越来越多，大大降低了锂电池的成本，为动力锂电池的发展带来了福音。但是我国在锂电材料研发、制造工艺等方面都存在诸多不足，尤其是缺乏关键技术和产业化能力。如何突破核心技术，降低成本，推动产业化，是未来我国锂电池行业的发展方向。随着锂电池的蓬勃发展，与之配套的锂电管理产业也随之兴起。与世界先进水平相比，国内的BMS企业除了技术储备不足之外，更关键的是与汽车厂商缺乏沟通合作。BMS企业往往对整车性能理解不足，而汽车厂商对BMS也经常知之甚少，这就造成BMS装车联调时经常问题不断，因此中国BMS企业应一方面在SOC估计、均衡等关键技术上加大研发投入；另一方面应加强与汽车厂商的合作交流，摆脱闭门造车的不利局面，使得开发出的BMS能更好地与整车匹配。只有摆脱急功近利的浮躁思想，同时整合汽车、电池、BMS厂商等多种资源，才能更好地推动整个锂电行业的协调发展。

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（责任编辑：周 琼）