從低速電動(dòng)管理看動(dòng)力電池發(fā)展，詳解電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 14:00
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電池管理系統(tǒng)有三種不同的構(gòu)型，我們可以稱為集中式管理系統(tǒng)、半分布式管理系統(tǒng)和分布式管理系統(tǒng)。
1)集中式管理系統(tǒng)(大BMS方式)：這種管理架構(gòu)，是將所有的采集單體電壓&電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，由整車控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結(jié)構(gòu)，PHEV和EV典型的應(yīng)用如LEAF、Cmax等。這樣做的優(yōu)點(diǎn)，是相對而言比較簡單，成本較低，由于采集備份在同一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點(diǎn)當(dāng)然是很明顯的，單體采樣的線束比較長，導(dǎo)致采樣導(dǎo)線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，長線和短線在均衡的時(shí)候?qū)е骂~外的電壓壓降;整個(gè)包的線束排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方?jīng)]法保證，只能適用于較小的電池包。
2)分布式管理系統(tǒng)(BMU+多個(gè)CSC方式)：這種是將電池模組(模組和CSC一配一的方式)的功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)形成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)、S-Box繼電器控制器和整車控制器，三層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形式。典型的應(yīng)用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優(yōu)點(diǎn)是可以將模組裝配過程簡化，采樣線束固定起來相對容易，線束距離均勻，不存在壓降不一的問題;如后面分析的那樣，當(dāng)電池包大了以后，這種模式就很有優(yōu)勢了。缺點(diǎn)是成本較高，如3所示，需要額外的MCU，獨(dú)立的CAN總線支持將各個(gè)模塊的信息整合發(fā)送給BMS，總線的電壓信息對齊設(shè)計(jì)也相對復(fù)雜。這種方案系統(tǒng)成本最高，但是移植起來最方便，屬于單價(jià)高開發(fā)成本低的典型，電池包可大可小。
3)半分布式管理系統(tǒng)(BMU+少量大CSC方式)：簡單一些來說，這就是兩種模式的妥協(xié)，主要用于模組排布比較奇特的包上，典型的應(yīng)用如Smart ED和Volt。這是一種是將電池管理的子單元做的大一些，采集較多的單體通道，這樣做的好處是整個(gè)系統(tǒng)的部件較少，但是需要注意的是這種方式優(yōu)勢不太明顯，主要是部件不少而且功能集中度也高一些，是三種方案里面成本較高的方案。
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)汽車和規(guī)模化儲(chǔ)能的理想化學(xué)電源。
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池，被科學(xué)家們喻為“搖椅式電池”，搖椅兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。其中的鋰離子如同優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員在正負(fù)兩極間來回奔跑，在運(yùn)動(dòng)過程中即完成電池的充放電過程。
然而，這種看似有趣的結(jié)構(gòu)卻存在隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今年上半年電動(dòng)汽車發(fā)生過10起燃燒事故。某消防單位對此總結(jié)，新能源汽車發(fā)生燃燒最為常見的場景表現(xiàn)為充電過程中的燃燒，此外，電池在行駛或停駛過程中也會(huì)產(chǎn)生燃燒。
安全性更高，可繼承液態(tài)鋰電池“江湖地位”
液態(tài)鋰電池為何會(huì)頻發(fā)爆炸，有專家分析，原因在于傳統(tǒng)鋰電池在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；電解液為有機(jī)液體，在高溫下會(huì)加劇發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向。
而近年來，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為采用固態(tài)電池在安全性上相對有所保障，視其可以繼承液態(tài)鋰電池的“江湖地位”。
“儲(chǔ)能的春天已經(jīng)到來，儲(chǔ)能行業(yè)開始萌芽開花，在各類儲(chǔ)能技術(shù)中，電池儲(chǔ)能最受關(guān)注，也是發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)方向。全固態(tài)鋰離子電池是規(guī)?；瘍?chǔ)能理想的化學(xué)電源。”中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組陳永翀教授表示。
專家認(rèn)為，全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液，有望從根本上解決電池安全性問題，是電動(dòng)汽車和規(guī)?；瘍?chǔ)能的理想化學(xué)電源。
北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)委員孫立清曾表示，相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢。
由于固態(tài)鋰電池采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升了鋰電池的能量密度。采用固態(tài)電解質(zhì)，可以阻止電池中的一些成分燃燒。
專家介紹，固態(tài)鋰電池的密度及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，在同樣的電量下，固態(tài)電池體積將變得更小。而且，由于固態(tài)電池中沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。
開發(fā)還在路上，一些關(guān)鍵問題有待突破
將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池，是為了突破目前有機(jī)電解液存在的種種限制，提升電池的能量密度、功率、溫度范圍和安全性。與會(huì)專家提出，真正實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的問題。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊介紹說，近幾年他們實(shí)驗(yàn)室主要開發(fā)采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池體系。用固態(tài)電解質(zhì)修飾金屬鋰后，可以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。他們還提出一個(gè)雙電解質(zhì)體系鋰硫電池概念，采用具有鋰離子導(dǎo)電特性LAGP體系的固體電解質(zhì)，在正負(fù)極間采用少量液態(tài)電解液進(jìn)行界面潤濕，測試結(jié)果可以看到，首次放電比容量能夠達(dá)到理論容量80％以上，尤其在充放電效率方面，基本上接近100％，完全沒有液態(tài)鋰硫電池中存在的穿梭效應(yīng)問題。為了進(jìn)一步解決電池的安全問題，他們把這個(gè)界面凝膠化，以保證里面沒有流動(dòng)態(tài)的電解液，通過聚合物進(jìn)行修飾，還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)。
清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮團(tuán)隊(duì)，正在研制一種氧化物固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)鋰電池的原型，采用三元正極，固態(tài)電解質(zhì)膜和石墨負(fù)荷作負(fù)極，電池能量密度以及安全性非常好，上千次循環(huán)后容量保持81％。
合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司鄭明森博士指出，目前研發(fā)的疊片式大容量固態(tài)聚合物鋰離子電池，結(jié)構(gòu)相對簡單、節(jié)點(diǎn)少，不需要管理系統(tǒng)，在組裝電池組時(shí)只需串聯(lián)而非并聯(lián)。采用一些固態(tài)的電解液替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解液，可以解決電池的漏液和碰撞后燃燒問題，提高了電池的安全性。
當(dāng)然，固態(tài)電池開發(fā)還在路上，仍存在一些關(guān)鍵問題有待突破。專家表示，固體電池應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域需考慮到長壽命、安全性等因素。另外，還需解決長期循環(huán)過程中的體積效應(yīng)、穩(wěn)定性和界面相容性等問題。
