我國鋰電池及其配套產業發展現狀與展望

吳鵬

摘要：鋰電池因其多項優點已經成為儲能與動力電池的主流。文章首先介紹了鋰電池的主要材料和關鍵技術，隨后對鋰電池必需的管理系統進行了介紹，尤其是對其中的均衡、SOC等關鍵技術做了分析，最后展望了鋰電池及BMS產業的發展方向和未來趨勢。

關鍵詞：鋰電池；BMS原理；儲能與動力電池；參數檢測技術；均衡技術；SOC估計方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM912 文章編號：1009-2374（2015）35-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.002

1 概述

隨著社會文明的不斷進步，人們對儲能裝置的要求越來越高。高質量、低價格的蓄電池在未來以電能為基礎的社會中將起起舉足輕重的作用。蓄電池不僅給移動設備提供電能，還可以存儲風光能等不連續能量，而依賴蓄電池技術的各種電動車輛更是減少污染的重要途徑。在各種蓄電池中，鋰電池由于體積小、重量輕、無記憶效應等優勢而得到了廣泛應用，可以說凡是需要使用移動、儲能等電源的場合都有鋰電池的身影。鋰電池由于具有嚴禁過充過放等特點，所以必須配備能實時監控的保護設備；同時由于電池組中各單體之間必然存在的差異性，所以完善的鋰電管理系統不僅包括先進的保護技術，還應針對各領域的特點制定合理的均衡方案。除保護均衡之外，鋰電管理系統還應具有電量估計、溫度監控、通信等附加功能。本文首先對鋰電池的關鍵技術進行介紹，隨后將對鋰電管理系統的核心技術進行闡述，最后對我國鋰電池及其配套管理系統產業的發展提出了個人的一點觀點和建議。

2 鋰電池關鍵技術

鋰是元素周期表中原子量最小的金屬，具有比重量與電化學當量小、電極電勢最負（-3.045V）的性質。因此鋰作為負極的鋰電池具有開路電壓與比功率高、使用壽命長等特點，在各個領域都得到了廣泛的應用。尤其是鋰電不含有毒重金屬如鎘、鉛、汞等，對環境無污染，所以在環境問題日益嚴重的當代越來越受到青睞。

鋰電池的關鍵技術主要集中在正負極材料、電解質和隔膜上，材料的性能和制備工藝很大程度上決定了電池的性能。目前市場上正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰及磷酸鐵鋰等，其中鈷酸鋰是現有正極材料中技術最成熟、產量最大的品種，主要用于手機、數碼產品等小型電池領域，但由于原材料價格高、污染重，且電池在大型化后有過熱著火的危險，故相對而言錳酸鋰和磷酸鐵鋰的鋰電池安全性能更好，成本更低，其中磷酸鐵鋰由于具有另外兩種材料所不具備的循環壽命和成本優勢，代表著動力電池正極材料的發展方向。負極材料一般為各種碳材料和金屬氧化物，目前比較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電位、優良的嵌入脫嵌性能，已成為主流。隔膜是保證鋰電池安全穩定工作的核心，主要難點在于材料的厚度、強度、孔徑等指標的實現。受技術門檻的限制，目前僅有日本、美國擁有隔膜的核心專利與產業化能力。國內鋰電池隔膜的研發工作起步較晚，尤其缺乏高端產品的核心技術，導致80%以上隔膜依賴于進口。電解質也是鋰電池的關鍵材料，在電池正負極之間起到傳導電子的作用；按電解質的不同可分為有機電解液和聚合物電解質。LiPF6/EC+DMC是目前公認的最佳電解質，但由于制備復雜導致價格十分昂貴，因此尋找低成本的電解質仍然是一項十分重要的工作。電解質的穩定性也是當前研究熱點。固態電解質因具有良好的化學穩定性和黏彈性，并可以任意塑形且無滲漏問題，因此更能滿足便攜式產品微型化的要求，所以成為鋰電池的一個重要研究方向。

3 BMS原理與核心技術

BMS的基本工作原理是MCU采集傳感器提供的電流、電壓、溫度等電池工作參數，從而對電池的工作情況進行分析，估算其剩余電量，決定是否啟動保護電路或進行均衡；電池工作狀態可通過顯示屏顯示，也可以與上位機進行通信，從而實現遠程監控。

3.1 參數檢測技術

電池參數檢測主要包括電池組中各單體電壓、電流、溫度等的檢測。電壓測量的常用方法是對每個單體電池配置一個電壓檢測電路，檢測到的數據通過一個光耦隔離器傳遞給主控MCU以消除共模干擾。普通電池組的電流可通過串入回路的電流檢測電阻進行檢測，而動力鋰離子電池組的電流往往比較大，常采用霍爾電流傳感器。溫度參數直接關系到電池組的性能甚至安全，傳統的溫度傳感器可以使用溫敏電阻；而數字溫度傳感器具有精度高、轉換速度快、易于編程控制等優點，是溫度測量元件的發展趨勢，如美國Dallas公司的單總線數字溫度傳感器DS18B20。隨著半導體技術的發展，目前鋰電池組的多參數檢測可以使用專用IC實現，如Linear公司的LTC6802，可以對4～12節電池組進行電壓電流的檢測，并具有更多電池的擴展功能。這些專用IC具有電路簡單、功能全面、性能可靠等優點，已經成為鋰電檢測的首選。

3.2 均衡技術

均衡技術是電池組管理的核心問題，這一點對我國而言尤為重要，因為國產電池的一致性相比國外高端電池有很大差距，所以均衡的壓力更大。目前主流的均衡策略有基于電池實際電量和電池端電壓兩種?；陔姵囟穗妷旱木馐且愿鲉误w的端電壓作為均衡依據，以端電壓趨于一致為均衡目的。這種均衡策略比較簡單，但是在實際工作中端電壓往往和電池的實際電量不能精確對應?；趯嶋H電量的均衡前提是剩余電量的精確估計（SOC）。鋰電池由于結構和模型的復雜性，其SOC特性受許多不確定因素的影響，因此如何依據可測的參數對SOC做出準確的估計是當前亟待解決的難題。

均衡控制的實現方法依據能量處理方式可分為能量損耗型與非損耗型。耗散型均衡通過在電池兩端并聯旁路分流電阻消耗多余能量來實現均衡，即給每節電池都連接一個旁路分流電阻，一旦某單體電壓超過門限值，則對應的分流電路開啟進行放電，將其電壓拉低以達到平衡。這種方法具有實現簡單、成本低廉的優點，但同時存在熱管理問題，而且由于各種條件限制，旁路電流一般很小，故而均衡效果不理想。能量非耗散型均衡是指能量在電池組中各單體之間轉移以達到均衡，這種均衡方式存在多種電路拓撲結構，C.Pascual等人提出的均衡方式是利用開關和電容組合實現能量在相鄰電池之間的傳遞，即將電壓高的電池能量先轉移到電容上，再從電容轉移到電壓低的電池上，最終實現所有電池的電壓趨于一致。該類均衡方案的優點是不存在能量浪費和熱管理問題；缺點是電路實現復雜，目前還不適用于串數多的電池組。

3.3 SOC估計方法

基于SOC的均衡策略前提是SOC的精確估計。鋰電池由于結構和模型的復雜性，其SOC特性受許多不確定因素的影響：不同的充放電倍率與溫度下鋰電端電壓和最終SOC有很大不同，而隨著鋰電循環充放次數的增多，其可用容量會下降，因此如何依據可測的參數對SOC做出準確估計十分困難。目前業界常用的在線SOC估計方法有安時積分法、開路電壓法、神經網絡法以及卡爾曼濾波法等。安時積分法通過積分計算一段時間內電池流進或流出的容量來計算SOC，并根據溫度和充放電倍率這些影響因素對其進行補償，目前已成功用于消費電子產品SOC的估計。這種方法問題在于如何求得補償系數與電量初始值，此外電流測量誤差直接關系到SOC估計的精度。

電池開路電壓OCV與SOC在一定條件下表現為一定的曲線對應關系，可利用這一關系來估算SOC。但是為了真實測得電池開路電壓需要消除電池自恢復效應，這個過程耗時較長；另外，OCV與SOC的對應曲線在中間段斜率很小，如果這時根據OCV來估算誤差就較大。所以開路電壓法不能實時估計SOC，但可以為其他估計算法提供初始SOC值。神經網絡可以利用自身的學習能力對電池系統進行模擬。SOC估計的神經網絡一般有輸入層、輸出層與中間層。其中輸入量包括電池電壓、內阻、充放電電流、溫度以及放出電量。由于需要對這些輸入量數據實施訓練，所以神經網絡法的缺點就是不同批次的電池訓練方法也不同，除非將來電池形成統一標準，否則這種方法很難推廣?？柭鼮V波是根據前時刻的狀態，通過遞推來估算當前時刻的狀態值。對于鋰電這種非線性系統，可以先通過偏導矩陣近似線性化，再結合卡爾曼濾波進行估計，稱為擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）。鋰電輸出是內部綜合這一刻之前所有時刻的累積的結果，因此我們常用電池的上一個狀態參數來估計當前時刻的工作狀態，即將電池的電流、工作溫度等參數作為系統的輸入，SOC作為狀態參量，電池電壓作為輸出，利用EKF進行鋰電池SOC的估算。EKF法的模型最貼近電池實際情況，理論精度也最高，但是由于電池模型的復雜性以及計算量難以控制等缺陷，實用化還很難，這也是未來研究的重點。隨著電動汽車的興起很多國際汽車巨頭開發了多種BMS系統，比較著名的有美國通用公司的電動汽車EVI上的BMS系統、特斯拉電動轎車BMS等。國內比較知名的有：哈爾濱冠拓電源開發的BMS，具有實時監控、SOC估算、數據傳輸等功能；安徽力高新能源，其產品涵蓋大巴和轎車BMS，成為江淮、奇瑞等知名汽車企業的供應商。

4 總結與展望

鋰電池在手機、筆記本等數碼產品上得到了普及，并且已經涉及到電動工具、照明、電動車輛以及航空航天、軍事裝備等諸多領域，對電子、汽車、太陽能、航空航天等眾多支柱產業產生了深遠影響。鋰電池因其所具備的高能量密度、長壽命、環保等多項優勢，各國都對其產業發展大力扶持。目前我國對新能源的鼓勵政策越來越多，大大降低了鋰電池的成本，為動力鋰電池的發展帶來了福音。但是我國在鋰電材料研發、制造工藝等方面都存在諸多不足，尤其是缺乏關鍵技術和產業化能力。如何突破核心技術，降低成本，推動產業化，是未來我國鋰電池行業的發展方向。隨著鋰電池的蓬勃發展，與之配套的鋰電管理產業也隨之興起。與世界先進水平相比，國內的BMS企業除了技術儲備不足之外，更關鍵的是與汽車廠商缺乏溝通合作。BMS企業往往對整車性能理解不足，而汽車廠商對BMS也經常知之甚少，這就造成BMS裝車聯調時經常問題不斷，因此中國BMS企業應一方面在SOC估計、均衡等關鍵技術上加大研發投入；另一方面應加強與汽車廠商的合作交流，擺脫閉門造車的不利局面，使得開發出的BMS能更好地與整車匹配。只有擺脫急功近利的浮躁思想，同時整合汽車、電池、BMS廠商等多種資源，才能更好地推動整個鋰電行業的協調發展。

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（責任編輯：周 瓊）