北京交通大學(xué)、電氣工程學(xué)院姜久春教授在第四屆華南鋰電(國(guó)際)高層技術(shù)論壇上演講的文字實(shí)錄：
【主持人：鄧中一】下一位演講者是北京交通大學(xué)、電氣工程學(xué)院姜久春教授、副院長(zhǎng)，前面談到了很多的材料、電池，我們現(xiàn)在要講電池管理系統(tǒng)。
【姜久春】各位專(zhuān)家，前面這些專(zhuān)家講的都是從材料到Cell，我講的是Cell到整個(gè)車(chē)上應(yīng)用的情況，我是從應(yīng)用角度講的這個(gè)理解，希望能夠和大家一起來(lái)分享。北京交通大學(xué)從97年開(kāi)始做電動(dòng)車(chē)的研究工作，從03年開(kāi)始做了電池管理方面的一些工作，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)電池管理大約是裝車(chē)數(shù)量最多的，我們同時(shí)也設(shè)計(jì)了奧運(yùn)會(huì)的充電站，我們現(xiàn)在負(fù)責(zé)上海世博會(huì)的充電站的建設(shè)工作，這我們學(xué)校的簡(jiǎn)單情況。
我的報(bào)告分成四個(gè)部分，一個(gè)是電池管理技術(shù)的現(xiàn)狀，第二個(gè)是串聯(lián)電池組充電模式，第三是成組電池的SOC定義方法，第四是電池組的一致性的評(píng)價(jià)體系。
在座的大家可能都很清楚目前的安全性和長(zhǎng)上明是鋰離子電池在推廣上的主要的障礙，我主要講一下這個(gè)成組電池的長(zhǎng)壽命，其他的專(zhuān)家都講了Cell循環(huán)的壽命的問(wèn)題，事實(shí)上我們現(xiàn)在從目前國(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，當(dāng)你把電池十幾支或者是一百多支串起來(lái)使用之后，你就算單體做到2千次的話(huà)，實(shí)際上這個(gè)壽命絕對(duì)做不到800次，這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上比單體的壽命問(wèn)題更嚴(yán)峻的問(wèn)題了，我們?cè)瓉?lái)最初最初只能夠成組做到單體的1/3，現(xiàn)在能夠做到2/3還要多一些。
另外一個(gè)方面是電池管理相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)狀，有些基本的問(wèn)題需要解決，我們經(jīng)過(guò)這么長(zhǎng)時(shí)間的研究工作也有一些想法。我們來(lái)看一下車(chē)輛對(duì)這個(gè)有什么樣的要求，一個(gè)是寬工作的溫度范圍高倍率的充電擺放集中，主要的問(wèn)題是高溫下充放電的性能和低溫下充放電的性能和散熱條件的問(wèn)題。另外一個(gè)是大量成組充分利用電池的容量，這個(gè)主要的問(wèn)題是一致性的問(wèn)題，充放電過(guò)程中的電池過(guò)電壓。這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是比較嚴(yán)重的，我們實(shí)際上在純電動(dòng)來(lái)運(yùn)用的話(huà)盡可能利用成組電池的容量，事實(shí)上由于一致性的問(wèn)題我們現(xiàn)在如果是單體電池可以做到100%的DOD，我們可以充電充到100%的SOC，有時(shí)候可以放到0%。我們成組以后充電之后只能夠充到95%的SOC，這已經(jīng)算是做得很不錯(cuò)的事情了，我100個(gè)電池串在一起充電的話(huà)大概可以做到95%充電，放電的時(shí)候用到整個(gè)的20%。這樣的話(huà)實(shí)際上在我們充放電的過(guò)程中要維持安全性，保證單體電池不過(guò)充過(guò)放的化是整個(gè)電池的利用率下降，如果要提高利用率的話(huà)就要注意過(guò)充或者過(guò)放的現(xiàn)象。
另外一個(gè)長(zhǎng)壽命的問(wèn)題，電池經(jīng)過(guò)一段使用之后電池的容量在下降，電池的內(nèi)阻在增加。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)做電池管理這一塊，電池管理的職責(zé)基本上很清楚了，一個(gè)是有效地監(jiān)控電池的狀態(tài)優(yōu)化使用電池的能量，延長(zhǎng)電池的壽命。電池的管理系統(tǒng)從現(xiàn)在來(lái)看主要是和外部的設(shè)備和充電機(jī)和ECU鏈接的問(wèn)題，他們的連接電池管理系統(tǒng)是和ECU等等這些提供信息的，從我的理解來(lái)看，電池管理現(xiàn)在的情況一個(gè)是外部參數(shù)的檢測(cè)、狀態(tài)的估算、一致性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析、報(bào)警功能、對(duì)外通信的功能，主要的問(wèn)題是他的性能不夠強(qiáng)大。從我們對(duì)純電動(dòng)這一塊來(lái)理解，我們認(rèn)為電池管理就提供一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)前情況下你以什么樣的電壓來(lái)充電或者是怎么樣來(lái)放電，只要你告訴ECO和另外一個(gè)參數(shù)，這樣對(duì)整個(gè)電池的管理功能就完成了，包括其他的功能報(bào)警的功能是另外的一個(gè)其他的功能。
性能不足的原因有幾個(gè)方面，一個(gè)是電池性能的復(fù)雜性，這個(gè)涉及到電話(huà)學(xué)、涉及到電器、涉及到電子方面的東西，這些中間的參數(shù)是相互影響的，有很強(qiáng)的非線(xiàn)性的關(guān)系，還有我們?cè)斓碾姵氐囊恢滦裕粌H僅是制造的一致性，使用過(guò)程的不一致也會(huì)對(duì)整個(gè)電池管理的性能也會(huì)帶來(lái)很大的影響。
第二個(gè)方面是電池生產(chǎn)廠家還有BMS生產(chǎn)者或者是研制者還有充電機(jī)、電機(jī)控制器的研制者之間相對(duì)是獨(dú)立的，沒(méi)有組成一個(gè)很深入地配合。這樣的話(huà)每個(gè)制造商他只是從某一方面來(lái)強(qiáng)調(diào)這一件事，比如電池生產(chǎn)廠家他就強(qiáng)調(diào)我提高CELL的性能，從BMS這一塊，對(duì)于BMS研究者或者是制造商來(lái)說(shuō)，對(duì)于我來(lái)說(shuō)只要能夠測(cè)量得到的是電池、電阻的外部參數(shù)，如果深入內(nèi)部去研究一個(gè)電池的特性的話(huà)對(duì)我來(lái)說(shuō)非常難的一件事情。從充電機(jī)和電機(jī)控制系數(shù)這一塊主要是考慮提高我設(shè)備的穩(wěn)定性來(lái)考慮的。
所以到現(xiàn)在為止，實(shí)際上在國(guó)內(nèi)在使用過(guò)程當(dāng)中一個(gè)是我們的這種使用電池組的基于電池的外特性，另外一個(gè)是把整組電池看成是單只電池的串聯(lián)，整個(gè)電池組看成單體電池的串聯(lián)看成一個(gè)大電池，只不過(guò)把他從3.2或者是3.7V擴(kuò)大到300多V而已。還有一些是在原來(lái)的鉛酸電池的基礎(chǔ)上用這個(gè)電池組，還有一個(gè)是原來(lái)用的包括手機(jī)電池、包括筆記本電池的一些管理方法、管理概念，實(shí)際上到了動(dòng)力電池上完全不是同樣的東西，不能夠把那些知識(shí)移過(guò)來(lái)，我們也做過(guò)一些包括國(guó)際上的大公司做過(guò)一些筆記本電池的研發(fā)工作。
這是串聯(lián)電池組的充電方法，這是一些研究工作，現(xiàn)在我們的研究重點(diǎn)主要是想提高充電性能和充電效率，我剛才說(shuō)了對(duì)于我們串聯(lián)的電池組，我們充電的時(shí)候大概只能夠把它充到95%，現(xiàn)在放電的時(shí)候用到20%，現(xiàn)在我們用了一種新的方法，我們把現(xiàn)在在運(yùn)行的車(chē)可以把95%提高2%，提高到97%，這樣實(shí)際上我多利用了2%的能量。我們這個(gè)研究主要是基于對(duì)于單體電池來(lái)說(shuō)我們可能對(duì)每只電池每個(gè)Cell來(lái)說(shuō)我們要對(duì)他的電池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，我們會(huì)測(cè)出來(lái)他實(shí)際的內(nèi)部電壓，不讓他極化、控制這種極化電壓整組的充電的效率和充電的方法。其實(shí)這個(gè)和氰酸電池的充電有一點(diǎn)像，但是我們一直沒(méi)有完整整理出一套體系來(lái)，但是實(shí)驗(yàn)是正在進(jìn)行中。
現(xiàn)在用這種方法，一個(gè)是在充電過(guò)程中的管理系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前的充電狀態(tài)和電池的使用方法得到電池最大的允許充電流，這樣充電過(guò)程當(dāng)中充電機(jī)依靠管理系統(tǒng)提供最大的允許充電電流，控制的依據(jù)是使他的極化電壓控制在一定的范圍之內(nèi)，我們可以得到一個(gè)比較好的充電方法可以提高整組電池的使用效率。這是現(xiàn)在在做的充電模式。
還有整組電池的SOC定義，我們?cè)瓉?lái)的SOC定義是基于單只的單個(gè)Cell的定義的方法，我們?cè)谟秒姵亟M的過(guò)程當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)這種方法存在一些問(wèn)題，包括用容量的概念也是有一些問(wèn)題的，所以我們一直在做SOC這方面的研究，到底整組電池是怎么定義的。SOC定義有兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是沒(méi)有考慮電池的差異性，串聯(lián)之后不僅生產(chǎn)出現(xiàn)差異，還有使用過(guò)程當(dāng)中SOC也會(huì)有差異，這樣的話(huà)實(shí)際上原來(lái)的SOC根本不適合整組電池的定義方法，SOC的含義變得模糊起來(lái)了，不能有效地被使用。這是單只電池大家公認(rèn)的SOC的定義辦法。對(duì)于成組電池可能通過(guò)分析會(huì)得出這樣的一個(gè)結(jié)論，電池組的容量和組內(nèi)所有單只電池的容量及SOC密切相關(guān)，這個(gè)提到了每一個(gè)單只電池的容量，我們要知道每一個(gè)電池的SOC是什么樣的情況，知道每個(gè)電池的實(shí)際容量是什么情況，所以電池組的容量所有單組電池的容量和SOC是有關(guān)的，你可以得到實(shí)際的我們這一組電池的容量是什么樣的狀況。i是電池組最早能夠充滿(mǎn)電池組的SOC就是i，節(jié)就是能夠充滿(mǎn)的時(shí)候，如果相等的時(shí)候電池組的容量等于組內(nèi)容量最小的i只電池的容量。如果這兩個(gè)不是一樣的電池，如果有一個(gè)電池先充滿(mǎn)或者是先放光，這樣我總體電池的容量比最小這只電池的容量還要小。這我們做的整組電池的SOC的定義方法。
i和j如果不相等的話(huà)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很麻煩的情況，有些電池盡管容量比較小，但是處在SOC的高端，有些電池比較大處在SOC的低端，這樣整個(gè)電池容量會(huì)有一個(gè)新的計(jì)算辦法。
電池的一致性的定價(jià)體系，我們以前所有的均衡方法不管是提出電容、電感或者是其他電阻的均衡方法，實(shí)際上都是基于電壓的這種經(jīng)橫方法，事實(shí)上當(dāng)磷酸鐵鋰出現(xiàn)以后這種對(duì)于錳酸鋰來(lái)說(shuō)也有一個(gè)問(wèn)題，我們單體電池的差異是在SOC高的時(shí)候或者是低的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較明顯的差異，或者是9%或者是10%的時(shí)候有一個(gè)明顯的差異，SOC的差異表現(xiàn)出了電壓的差異。我們通過(guò)電壓對(duì)于電池進(jìn)行均衡的話(huà)，只有在這個(gè)時(shí)候我們才明確知道哪個(gè)電池該進(jìn)行均衡，這樣我不得不在勇比較大的均衡器進(jìn)行均衡，因?yàn)槲視r(shí)間很短已經(jīng)到9%或者是10%，所以這個(gè)時(shí)候才啟動(dòng)均衡器。車(chē)上的空間比較小，裝這種東西是非常麻煩的一件事情，可能也沒(méi)有地方安裝。
現(xiàn)在在SOC出臺(tái)以后這種情況更嚴(yán)重了，因?yàn)楦y分清楚在什么情況下什么容易平衡。目前我們也在做一些儲(chǔ)能的研究工作，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該是怎么樣的的在儲(chǔ)能里我的電池放在那里，可能放在沒(méi)有人煙的地方可能幾年不去用它，均衡的問(wèn)題必須要考慮進(jìn)來(lái)。現(xiàn)在我們說(shuō)我們到底用什么樣的辦法來(lái)進(jìn)行均衡，所以我們提出了這個(gè)應(yīng)該是均衡哪一只電池，應(yīng)該對(duì)哪一只電池進(jìn)行充電或者是放電，這是我們研究電池組的一個(gè)基礎(chǔ)。
我們看一下均衡的一些主要的問(wèn)題，一致性隨著工況和SOC的變化而變化，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。有時(shí)均衡對(duì)于電池組容量的增加效果不明顯，成組電池的循環(huán)壽命仍低于單只電池，均衡器的容量體積成本隨著容量的增加而增加，不適合大容量的電池。
我們看一下基本的原理一個(gè)是電池的外壓的差異主要是來(lái)源于直流內(nèi)阻、極化電壓、容量和SOC等過(guò)方面，直流內(nèi)阻、極化電壓和容量等差異不能通過(guò)均衡得到改善，你所能改變的就是SOC，由于每只電池的SOC不一樣，你可以來(lái)改變SOC的狀態(tài)，這三個(gè)差異是不能改變的。所以我們?cè)瓉?lái)用電壓的系統(tǒng)，電壓和SOC之間的非線(xiàn)性關(guān)系導(dǎo)致了一致性判斷的不穩(wěn)定，并使均衡器的穩(wěn)定沒(méi)有得到充分的利用。我們基于電流的直流內(nèi)阻、極化電壓、容量和SOC對(duì)電池的性能作綜合的評(píng)價(jià)。
我們以前做了一個(gè)數(shù)據(jù)，我們看一下這一共是8只電池，這是他們充電時(shí)表現(xiàn)出的外電壓的特性，這是原始的一個(gè)曲線(xiàn)，這個(gè)電池用了大概經(jīng)過(guò)100次的循環(huán)以后的電池，我們把這個(gè)直流內(nèi)阻去掉，再看一下這個(gè)曲線(xiàn)？我們?cè)侔堰@個(gè)極化電壓再去掉，這又是一條曲線(xiàn)，然后我們?cè)侔褍蓚�(gè)差異最大的兩個(gè)電池可以看出差別非常大，我們現(xiàn)在把容量和初始的SOC修正后，我們看一下這兩個(gè)曲線(xiàn)已經(jīng)基本上重合了，如果把這個(gè)容量和初始的SOC考慮進(jìn)去的話(huà)這兩個(gè)是一樣的。從前面的圖如果這個(gè)點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行均衡的話(huà)，對(duì)于低電壓的技術(shù)充電的話(huà)完全得出一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)果，從后面的實(shí)際結(jié)果來(lái)說(shuō)兩個(gè)特性是一樣的，一點(diǎn)區(qū)別都沒(méi)有。這也是我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上，把滯留那一組單體的容量、單體的SOC能夠得到以后我們可以做成一個(gè)評(píng)價(jià)體系，針對(duì)這個(gè)評(píng)價(jià)體系可以設(shè)計(jì)這個(gè)均衡器，因?yàn)槲覀儫o(wú)時(shí)無(wú)刻不在均衡，我知道每只電池到底處于什么樣的狀態(tài)。
現(xiàn)在在一致性的基礎(chǔ)上我們做的均衡的依據(jù)，一個(gè)是從容量的角度而言，電池的容量小于或者是等于組內(nèi)容量最小的電池，電池組是否需要均衡的判斷依據(jù)是電池組內(nèi)兩最小的電池容量能夠得到充分的利用，這個(gè)即就是容量最小的電池能夠首先充滿(mǎn)電或者是放完電。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】我有一個(gè)問(wèn)題是這樣的，管理系統(tǒng)里面我們知道要對(duì)電池或者是單體電池SOC進(jìn)行判斷，我們之前用一些工作電壓對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)在很多的都是用磷酸鐵鋰材料的，他們的工作電壓是不同的，不知道您現(xiàn)在是什么樣的判斷？
【姜久春】我跟幾個(gè)磷酸鐵鋰的廠家有過(guò)溝通，在目前來(lái)說(shuō)如果是純動(dòng)力的問(wèn)題我們是有辦法解決的，在混合動(dòng)力到現(xiàn)在為止沒(méi)有想出辦法解決這個(gè)問(wèn)題。但是我們可以設(shè)想一種辦法，比如說(shuō)我把這個(gè)混合動(dòng)力控制在30—80%之間，我只盯住這兩點(diǎn)，其他的我不管了，這個(gè)可能是我們現(xiàn)在能夠想到而且在做的工作，但是純電動(dòng)我們是有辦法解決的，因?yàn)槲页潆娛强煽氐模晕蚁虢鉀Q這個(gè)問(wèn)題是比較容易的事情。包括我們鎳氫做HEV的情況下，我們最后一道防線(xiàn)也是這樣的，我前面都用模擬的電池沒(méi)有問(wèn)題的，如果出了問(wèn)題最后的防線(xiàn)是靠30—80%之間。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】一般來(lái)說(shuō)BMS系統(tǒng)是用電的嗎？
【姜久春】肯定是要用電的。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】如果用在汽車(chē)一般用12—20V電是可以用的，如果您用在儲(chǔ)能系統(tǒng)上可能這個(gè)電池組一年半年的工作，隨時(shí)都要監(jiān)測(cè)他的狀態(tài)，這個(gè)怎么辦？
【姜久春】我們通信基站和充電基站的話(huà)，這個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)我的電源是從電網(wǎng)來(lái)的電這個(gè)不存在問(wèn)題。在邊遠(yuǎn)山區(qū)的太陽(yáng)能的獨(dú)立供應(yīng)系統(tǒng)比如通信基站，他白天就有太陽(yáng)，我是靠這個(gè)電池的，這個(gè)電池一直是工作在充電、放電過(guò)程之中的。肯定會(huì)有一些電阻的裝置來(lái)完成的。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】姜教授您好！我想請(qǐng)問(wèn)一下您后面提到的均衡的時(shí)候是時(shí)刻在均衡，但是電池里面你時(shí)刻均衡的時(shí)候這里面產(chǎn)生一個(gè)溫升，這個(gè)問(wèn)題您怎么解決的？
【姜久春】是這樣的，這是我們?yōu)槭裁丛瓉?lái)在BOX里面不會(huì)裝均衡系統(tǒng)，一個(gè)是受體積的限制，另外一個(gè)受溫度的限制，不管你是用電阻放電的方法還是用ECDE的方法都會(huì)產(chǎn)生一些熱量的。但是因?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題是可以得到解決的，比如原來(lái)你用120AH的電池，你大概要用10安培，但是我大概只需要1安培，這個(gè)問(wèn)題就很容易可以解決掉了，所以用我們這種現(xiàn)在的判斷方法可以大幅度地減小這個(gè)均衡的功率。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】功率可以解決，但是在有限的體制里面這部分的問(wèn)題還是存在的。
【姜久春】是這樣的。
【現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)】因?yàn)槲乙沧鲞^(guò)這方面的一些實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一般的溫升在里面一般要求在60度左右，可能在直線(xiàn)條件下都會(huì)有20度左右，這樣1安產(chǎn)生的跟10安產(chǎn)生的溫升也是很大的。
【姜久春】你是指在累積的過(guò)程中。
（編輯：全球電池網(wǎng)）
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