2.2 動力電池基礎知識及應用技術

電池一般分為儲能電池與動力電池兩種。其中，儲能電池指能量密度高的電池，動力電池指功率密度高的電池，一般而言，儲能電池的充、放電倍率較小（如小于1C），而動力電池的充、放電倍率較大，一般動力電池可實現2～10C的放電，某些軌道車輛和電動汽車用的動力電池可承受10C甚至是30C的放電倍率。電池及電池組的相關概念包括：

電池單體（Cell）指直接將化學能轉化為電能的基本裝置和基本單元。

電池（Battery）指由多個電池單體并聯或串聯而成，具有獨立正極和負極輸出的裝置。

電池組（Battery Pack）是由多塊電池通過串聯或并聯構成的存儲電能的部件。

電池系統（Battery System）指由多個電池組串聯或并聯構成、具備完善電池管理系統的電能供給系統。

2.2.1 電池的基本構成及性能指標

電池是車輛的動力源，是能量的存儲裝置，其分類方式如圖2-5所示。

車用動力電池有傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。幾款主流電池的技術參數對比情況見表2-2。可以看出，由于鋰電池具有工作電壓高、比能量大、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等優點，已成為廠家的首選。

1. 電池的基本構成

電池是一種把化學反應所釋放的能量直接轉變成直流電能的裝置。要實現化學能轉變成電能的過程，必須滿足如下條件：①必須實現將化學反應中失去電子的氧化過程（在負極進行）以及得到電子的還原過程（在正極進行），分別在兩個區域進行，這與一般的氧化還原反應存在區別。②兩電極間必須具有離子導電性的物質。③化學變化過程中電子的傳遞必須經過外線路。

為了滿足構成電池的條件，電池需包含以下基本組成部分。

（1）電解質 電解質擁有很高的、選擇性的離子電導率，提供電池內部的離子導電的介質。大多數電解質為無機電解質水溶液，少部分電解質也有固體電解質、熔融鹽電解質、非水溶液電解質和有機電解質。有的電解質也參加電極反應而被消耗。電解質對于電子來說必須是非導體，否則將會產生電池單體的自放電現象。

（2）正極活性物質 正極活性物質具有較高的電極電位，電池工作即放電時進行還原反應或陰極過程。為了與電解槽的陽極、陰極區別開，在電池中稱作正極。鋰離子電池正極材料對比情況見表2-3。

（3）負極活性物質 負極活性物質具有較低的電極電位，電池工作時進行氧化反應或陽極過程。為了與電解槽的陽極、陰極區別開，在電池中稱作負極。鋰離子電池負極材料對比情況見表2-4。

（4）隔膜 為了保證正、負極活性物質絕對不直接接觸而短路，又要保持正負極之間盡可能小的距離，以使電池具有較小的內阻，在正、負極之間必須設置隔膜。隔膜材料本身都是絕緣良好的材料，如橡膠、玻璃絲、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，以防止正負極間的電子傳遞和接觸。同時隔膜材料要求能耐電解質的腐蝕和正極活性物質的氧化作用，并且隔膜還要有足夠的孔隙率和吸收電解質溶液的能力，以保證離子運動。

（5）外殼 作為電池的容器，電池的外殼材料必須能經受電解質的腐蝕，而且應該具有一定的機械強度。鉛酸電池一般采用硬橡膠。堿性蓄電池一般采用鍍鎳鋼材。近年來由于塑料工業的發展，各種工程塑料諸如尼龍、ABS、聚丙烯、聚苯乙烯等已成為電池殼體常用的材料。

除了上述主要組成部分外，電池還常常需要導電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。

2. 電池的性能指標

（1）電壓 電壓分為電動勢、端電壓、額定電壓、開路電壓、工作電壓、充電電壓、充電終止電壓、放電終止電壓和電壓效率等。電池電壓各項性能指標的描述見表2-5。

（2）容量 電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安培·小時（A·h），它等于放電電流與放電時間的乘積。

電池的容量可以分為理論容量、實際容量、標稱容量和額定容量等。

理論容量指假設電極活性物質全部參加電池的化學反應所能提供的電量，是按法拉第定律計算而得到的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質量電池所能給出的理論電量，單位為A·h/L或A·h/kg。

實際容量指電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為A·h，其值小于理論容量。電池的實際容量主要與電池正、負極活性物質的數量及利用的程度（利用率）有關，而活性物質利用率主要受放電制度、電極的結構和制造工藝的影響。放電制度是指放電速率、放電形式、終止電壓和溫度。高速率即大電流。低溫條件下放電時，將減少電池輸出的容量。電極的結構包括電極高寬比例、厚度、孔隙率以及導電柵網的形式。實際容量反映了電池實際存儲電量的大小，電池容量越大，車輛的續駛里程就越遠。

在使用過程中，電池的實際容量會逐步衰減。國家標準規定新出廠的電池實際容量大于額定容量值為合格電池。

標稱容量是用來鑒別電池的近似容量值。在指定放電條件時，一般指0.2C放電時的放電容量。

額定容量是按國家或有關部門頒布的標準，保證電流在一定的放電條件下應該放出的最低限度的容量。按照IEC標準和國標，鎳鎘電池和鎳氫電池在（20±5）℃條件下，以0.1C充電16h后以0.2C放電至1.0V時所放出的電量為電池的額定容量，以C表示；鋰電池在常溫、恒流（1C）、恒壓（4.2V）條件下充電3h后，再以0.2C放電至2.75V時所放出的電量為電池的額定容量。

荷電狀態（SOC）是電池剩余電量與相同條件下額定容量的比值，它反映電池容量的變化。SOC=1即表示電池充滿狀態。隨著電池的放電，電池的電荷逐漸減少，此時電池的充電狀態，可以用SOC的百分數相對量來表示電池中電荷的變化狀態。一般電池放電高效率區為50%～80%SOC。

（3）內阻 一般說到的內阻指充電態內阻，即電池充滿電時的內阻（與之對應的是放電態內阻，指電池充分放電后的內阻。放電態內阻一般比充電態內阻大，并且不太穩定）。電池內阻越大，電池自身消耗能量越多，電池的使用效率越低。內阻很大的電池在充電時發熱很厲害，使電池的溫度急劇上升，對電池和充電器的影響都很大。隨著電池使用次數的增多，由于電解液的消耗及電池內部化學物質活性的降低，電池的內阻會有不同程度的升高。電池的內阻不是常數，在放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質的組成、電解液濃度和溫度都在不斷改變，需要用專門的儀器才可以測量到比較準確的結果。

電池內阻包括歐姆電阻和極化電阻，二者之和為電池的全內阻。歐姆電阻主要由電極材料、電解液、隔膜的電阻以及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是化學電源的正極、負極在進行電化學反應時由于極化引起的內阻。極化內阻與活性物質的本性、電極的結構、電池的制造工藝有關，尤其與電池的工作條件有關，放電電流和溫度對其影響很大。在大電流密度下放電時，電化學極化和濃差極化均增加，甚至可能引起負極的極化，極化內阻增加。低溫對電化學極化、離子的擴散均有不利影響，故在低溫條件下電池的極化內阻也增加。因此，極化內阻并非是一個常數，而是隨放電率、溫度等條件的改變而改變。

各種規格和型號的蓄電池內阻各不相同。在低倍率放電時，內阻對電池性能的影響不顯著；但在高倍率放電時，電池全內阻明顯增大，電壓降損失可達數百毫伏。

（4）能量 能量指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是W·h或kW·h。它直接影響軌道車輛的行駛距離。能量分為理論能量、實際能量、比能量和能量密度。理論能量是電池的理論容量與額定電壓的乘積，指一定標準所規定的放電條件下，即假設電池在放電過程中始終處于平衡狀態，其放電電壓保持電動勢的數值，而且活性物質的利用率為100%時，電池所輸出的放電容量。實際能量是電池實際容量與平均工作電壓的乘積，表示在一定條件下電池所能輸出的能量。

比能量也稱質量比能量，是指電池單位質量所能輸出的電能，單位是W·h/kg，常用比能量來比較不同的電池系統。

能量密度也稱體積比能量，是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是W·h/L。

電池的比能量是綜合性指標，它反映了電池的質量水平。電池的比能量影響整車質量和續駛里程，是評價動力電池是否滿足預定續駛里程的重要指標。

（5）功率 功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內所輸出能量的大小，單位為W或kW。電池的功率決定了車輛的加速性能和爬坡能力。功率分為比功率和功率密度。比功率是指單位質量電池所能輸出的功率，也稱質量比功率，單位為W/kg或kW/kg；功率密度是指單位體積電池所能輸出的功率，也稱體積比功率，單位為W/L或kW/L。

電池的比功率影響車輛的加速性能和坡道運行能力，是評價動力電池是否滿足預定起動加速度和坡道運行能力的重要指標。

（6）輸出效率 輸出效率指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比。影響電池容量效率的主要因素是副反應。當電池充電時，有一部分電量消耗在水的分解上。此外，自放電、電極活性物質的脫落、結塊、孔率收縮等也會降低容量效率。影響效率的原因是電池存在內阻，它使電池充電電壓增加，放電電壓下降。內阻的能量損耗以電池發熱的形式損耗掉。

（7）自放電率 自放電率指電池在存放期間容量的下降率，即電池無負荷時自身放電使容量損失的速度。自放電率用單位時間容量降低的百分數表示。電池無負荷時由于自行放電使容量損失。蓄電池能用充電方法恢復容量。自放電通常主要在負極，因為負極活性物質多為活潑的金屬粉末電極，在水溶液中可發生置換氫氣的反應。若在電極中存在著氫超電勢低的金屬雜質，這些負極和負極活性物質能組成腐蝕微電池，結果負極金屬自溶解，并伴有氫氣析出，從而容量減少。在電解液中雜質起著同樣的有害作用。一般正極的自放電不大。正極為強氧化劑，若在電解液中或隔膜上存在易于被氧化的雜質，也會引起正極活性物質的還原，從而減少容量。

自放電率用單位時間容量降低的百分數表示。

式中 C_a——電池存儲前的容量（A·h）；

C_b——電池存儲后的容量（A·h）；

T——電池儲存的時間，常用天、月計算。

（8）放電倍率 放電時間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。放電倍率等于額定容量與放電電流之比。根據放電倍率的大小，可分為低倍率（＜0.5C）、中倍率（0.5～3C）、高倍率（3～ 10C）、超高倍率（＞10C）。例如，某電池的額定容量為40A·h，若用8A電流放電，則放完40A·h的額定容量需用5h，也就是說以0.2倍率放電，用符號C/5或0.2C表示，為低倍率放電。

（9）放電深度 放電深度指放電容量與總放電容量的百分比，簡稱DOD（Depth of Dis-charge）。放電深度表示放電程度的一種量度，其高低跟二次電池的充電壽命有很深的關系。二次電池放電深度越大，其充電壽命就越短，因此在使用時應盡量避免深度放電。

（10）壽命 壽命指在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規定值之前，電池能耐受的充放電次數，與放電深度、溫度、充放電制式等條件有關。降低放電深度，即淺放電，可以有效延長二次電池的充放電循環壽命。隨著充放電次數的增加，二次電池容量衰減現象較為明顯。這是因為在充放電循環過程中，電池內部會發生一些不可逆反應，引起電池放電容量的衰減。這些不可逆的因素主要包括：

1）電極活性表面積在充放電循環過程中不斷減小，使工作電流密度上升，極化增大。

2）電極上活性物質脫落或轉移。

3）電池工作過程中，某些電極材料發生腐蝕。

4）隔膜的老化和損耗。

5）在循環過程中電極上生成枝晶，造成電池內部微短路。

6）活性物質在充放電過程中發生不可逆晶形改變，使得活性降低。

（11）化成 電池制成后，需要對電池單體進行小電流充電，將其內部正負極物質激活，在負極表面形成一層鈍化層——SEI（solid electrolyte interface）膜，使電池性能更加穩定，電池經過化成后才能體現其真實的性能，這一過程稱為化成。化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高，化成容量是篩選合格電池的重要指標。

2.2.2 鋰電池結構與工作原理

1. 鋰電池的種類與特點

根據鋰電池所用電解質材料不同，可以分為液態鋰電池（Liquified Lithium-Ion Battery，LIB）和聚合物鋰電池（Polymer Lithium-Ion Battery，PLB）兩大類。

液態鋰電池和聚合物鋰電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO₂，負極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅作集流體。兩種鋰電池結構的對比分析見表2-6。

液態鋰電池與聚合物鋰電池的主要區別在于電解質的不同，液態鋰電池使用的是液體電解質，而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是“干態”的，也可以是“膠態”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質。其中，液態鋰電池是指Li⁺嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO₂，LNiO₂或LiMn₂O₄，負極采用鋰-碳層間化合物Li_xC₆。

聚合物鋰電池具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化和高安全性等多種明顯優勢。在形狀上，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以配合各種產品的需要，制作成任何形狀與容量的電池；在安全性上，外包裝為鋁塑包裝，有別于液態鋰電的金屬外殼，內部質量隱患可立即通過外包裝變形而顯示出來，一旦發生安全隱患，不會爆炸，只會鼓脹。因為聚合物鋰電池使用了膠體電解質，不會像液體電解液那樣泄漏，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄，也不會產生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼，從而提高整個電池的比容量。

聚合物鋰電池可分為三類：固體聚合物電解質鋰電池、凝膠聚合物電解質鋰電池、導電聚合物鋰電池。

2. 鋰電池的結構與工作原理

鋰電池即分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。鋰電池靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作，因此又被人們形象地稱為“搖椅式電池”。圖2-6為鋰電池原理圖，圖2-7顯示出鋰離子充放電過程。

鋰電池在原理上實際是一種鋰離子濃差電池，正、負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成，通過Li⁺在正負極間的往返嵌入和脫嵌形成電池的充電和放電過程。從充放電的可逆性看，鋰電池反應是一種理想的可逆反應。鋰電池的電極反應表達式分別為：

正極反應式：

負極反應式：

電池反應式：

式中，M代表Co、Ni、W、Mn等金屬元素。

鋰電池的工作原理主要包括以下幾點：

1）當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時則反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態，一般選擇相對鋰而言，電位大于3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物作正極，如Li_xCoO₂、Li_xNiO₂、Li_xMn₂O₄。

2）作為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種鋰碳層間化合物Li_xC₆，包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等，以及金屬氧化物，包括S_nO、S_nO₂、錫復合氧化物S_nB_xP_yO_z等。

3）電解質采用LiPF₆的乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸酯搭配的混合溶劑體系。

4）充電過程中，Li⁺正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保持負極的電平衡。

5）放電過程則相反，Li⁺從負極脫嵌，經過電解質嵌入到正極，正極處于富鋰態，負極處于貧鋰態。放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。

6）隔膜采用聚烯微多孔膜，如PE、PP或它們的復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險的作用。

3. 鋰電池的失效機理及失效模式

造成鋰電池容量衰退的原因主要有正極材料的溶解、正極材料的相變化、電解液的分解、過充電造成的容量損失、自放電、界面膜（SEI）的形成、集流體腐蝕等。動力電池系統失效模式，可以分為三種不同層級的失效模式，即電芯失效模式、電池管理系統失效模式、Pack系統集成失效模式。

電芯的失效模式又可分為安全性失效模式和非安全性失效模式。

（1）電芯安全性失效 電芯安全性失效主要有以下幾種類型：

1）電芯內部正負極短路。電池內短路是由電芯內部引起的，引起電池內短路的原因可能是電芯生產過程中缺陷導致或是長期振動外力導致電芯變形、外部保險不起作用所致。

2）電池單體漏液。原因包括：外力損傷；碰撞、安裝不規范造成密封結構被破壞；制造原因（焊接缺陷、封合膠量不足造成密封性能不好等）。電池漏液后整個電池包的絕緣失效，單點絕緣失效問題不大，如果有兩點或以上絕緣失效會發生外短路。從實際應用情況來看，軟包和塑殼電芯相比金屬殼單體更容易發生漏液情況導致絕緣失效。車輛著火的事故很多都是由電池漏液造成的。

3）電池負極析鋰。電池使用不當，過充電、低溫充電、大電流充電都會導致電池負極析鋰。國內大部分廠家生產的磷酸鐵鋰或三元電池在0℃以下充電都會發生析鋰，0℃以上根據電芯特性只能小電流充電。發生負極析鋰后，鋰金屬不可還原，導致電池容量不可逆衰減。析鋰達到一定嚴重程度，形成鋰枝晶，刺穿隔膜發生內短路。

4）電芯脹氣鼓脹。主要是因為電池內部發生副反應產生氣體，通過在電芯生產過程嚴格控制水分可以避免。一旦發生電池脹氣就會發生漏液等情況。

（2）電芯非安全性失效 電芯的非安全性失效只是影響使用性能，主要有以下幾種類型：

1）容量一致性差。原因包括電池的生產制造工藝、電池的存放時間長短、電池組充放電期間的溫度差異、充放電電流大小等。目前解決方法主要是提高電池的生產制造工藝控制水平，從生產關盡可能保證電池的一致性。

2）自放電過大。電池制造時雜質造成的微短路所引起的不可逆反應是造成個別電池自放電偏大的最主要原因。由于電池在長時間的充放電及擱置過程中，隨環境條件發生化學反應，引起電池大自放電現象，這使電池電量降低，性能低下，不能滿足使用需求。

3）低溫放電容量減少。隨著溫度的降低，電解液低溫性能不好，參與反應不夠，電解液電導率降低而導致電池電阻增大，電壓平臺降低，容量也降低。目前各廠家電池-20℃下的放電容量基本在額定容量的70%～75%。低溫下電池放電容量減少，且放電性能差，影響車輛的使用性能和續駛里程。

4）電池容量衰減。電池容置衰減主要來自于活性鋰離子的損失以及電極活性材料的損失。正極活性材料層狀結構規整度下降，負極活性材料上沉積鈍化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，導致電池電荷傳遞阻抗增大。脫嵌鋰能力下降，從而導致容量的損失。

（3）電池管理系統失效 電池的單體失效不僅和電池本身有關，也和電池管理系統BMS失效有關。BMS失效模式也會造成嚴重的事故有以下幾類：

1）BMS電壓檢測失效導致電池過充電或過放電。過充電容易導致鋰離子電池中的電解液分解釋放出氣體，從而導致電池鼓脹，嚴重的話甚至會冒煙起火；電池過放電會導致電池正極材料分子結構損壞，從而導致充不進去電；同時電池電壓過低造成電解液分解，干涸發生析鋰，回到電池內短路問題。在系統設計時應該選用可靠的電壓采集線，在生產過程中嚴格管控，杜絕電壓采集線的失效。

2）BMS電流檢測失效。霍爾傳感器失效，BMS采集不到電流，SOC無法計算，偏差大。電流檢測失效可能導致充電電流過大。充電電流大，電芯內部發熱大，溫度超過一定溫度，會使隔膜固化容量衰減，嚴重影響電池壽命。

3）BMS溫度檢測失效。溫度檢測失效導致電池工作使用溫度過高，電池發生不可逆反應，對電池容量、內阻有很大影響。電池45℃時的循環壽命是25℃時的一半，另外溫度過高電池易發生鼓脹、漏液、爆炸等問題，因此在使用過程中要嚴格控制溫度在20～45℃之間，除能有效提高電池的使用壽命和可靠性之外，還能有效避免電池低溫充電析鋰造成的短路以及高溫熱失控。

4）絕緣監測失效。在動力電池系統發生變形或漏液的情況下都會發生絕緣失效，如果BMS沒有被檢測出來，有可能發生人員觸電。因此BMS系統對監測的傳感器要求應該是最高的，避免監測系統失效可以極大地提高動力電池的安全性。

5）電磁兼容問題通信失效。BMS系統須具備較強的抗電磁干擾能力，避免導致BMS通信失效，引發以上幾個問題。

6）SOC估算偏差大 基本上目前的檢驗標準要求都是5%以內，大部分廠家BMS應該都很難達到，因為實際使用中SOC誤差會越來越大，影響精度的條件更多。

（4）系統集成失效 系統集成失效模式主要包括：

1）匯流排的失效。如果是螺栓連接，在后期使用過程中，螺栓氧化脫落或振動導致螺栓松了都會導致導體連接處產生大量的熱，極端情況下會導致動力電池著火。因此絕大部分動力電池系統生產廠家在電芯與電芯連接或模塊與模塊連接處采用激光焊接，或在連接處增加溫度傳感器，通過檢測的手段避免匯流排的失效。

2）動力電池系統主回路連接器失效。動力電池系統高壓線通過連接器與外部高壓系統相連。連接器性能不可靠，在振動下發生虛接，產生高溫燒蝕連接器。一般來說連接器溫度超過90℃就會發生連接失效。因此在系統設計時連接器需要增加高壓互鎖功能，或在連接器附近加溫度傳感器，時刻監測連接器的溫度以防止連接器的失效。

3）高壓接觸器粘黏。接觸器有一定次數的帶載斷開，大部分接觸器在大電流帶載閉合時燒蝕。在系統設計時一般采用雙繼電器方案，按照先后順序閉合控制以避免高壓接觸器粘黏。

4）熔斷器過流保護失效。高壓系統部件中的熔斷器的選型匹配，過電流時先斷哪個后斷哪個需要綜合考慮。振動或外部受到碰撞擠壓導致動力電池發生形變，密封失效，IP等級降低，因此在系統設計時需要考慮電池箱結構的碰撞防護。

科研人員和電池廠商應通過不斷改進工藝和技術提高鋰電池單體的安全性，BMS系統廠商要充分了解電池的性能，基于動力電池的安全設計原則，設計出安全可靠的電池系統，同時正確的使用是保障電池安全性的最終屏障。使用者要正確使用動力電池系統，杜絕機械濫用、熱濫用和電濫用，切實提高車輛的安全性和可靠性。

4. 鋰電池使用安全性和使用壽命的影響因素

鋰電池在熱沖擊、過充、過放和短路等濫用情況下，其內部的活性物質及電解液等組分間將發生化學、電化學反應，產生大量的熱量與氣體，使得電池內部壓力升高，積累到一定程度可能導致電池著火，甚至爆炸。其主要原因包括材料熱穩定性（正負電極、有機電解液相互作用的熱穩定性）和制造工藝等。

當動力電池單體壽命一定時，動力電池的連接方式、組內單體的塊數及其不一致程度成為影響動力電池組壽命的最主要因素。

（1）電池單體壽命影響因素。動力電池單體在充放電循環使用過程中，由于一些不可避免的副反應，電池可用活性物質逐步減少，性能逐步退化。其退化程度隨著充放電循環次數的增加而加劇，其退化速度與動力電池單體充放電的工作狀態和環境有著直接的聯系。

影響動力電池單體壽命的因素主要包括充放電速率、充放電深度、環境溫度、存儲條件、電池維護過程、電流波紋以及過充電量和過充頻度等。

1）充電截止電壓。動力電池在充電過程中一般都伴隨有副反應，提高充電截止電壓，甚至超過電池電化學電位后進行充電一般會加劇副反應的發生，并導致電池使用壽命縮短，并可能導致內部短路、電池損壞，甚至著火爆炸等危險工況的出現。

2）放電深度。深度放電會加速動力電池的衰退。淺充淺放可以有效延長動力電池的使用壽命。

3）充放電倍率。動力電池單體的充放電倍率是其在使用工況下最直接的外界環境特征參數，其大小直接影響著動力電池單體的衰減速度。充放電倍率越高，動力電池單體的容量衰減越快。動力電池單體大倍率的充放電均會加快其容量的退化速度，如果充放電倍率過大，動力電池單體還可能會出現直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現象。

4）環境溫度。不同的動力電池均有最佳的工作溫度范圍，過高或過低的溫度都將對電池的使用壽命產生影響。試驗表明，在高溫下運行應用的動力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。

5）存儲條件。在存儲過程中，由于電池的自放電、正負極材料鈍化、電解液分解蒸發、電化學副反應等因素，將導致電池產生不可逆的容量損失。以鋰電池為例，在鋰電池存儲期間，石墨負極的副反應是引起鋰離子動力電池容量衰減的主要原因。鋰電池電極材料與電解液在固液相界面上發生反應后，其負極表面會形成一層電子絕緣且離子可導的固體電解質界面膜。其主要是由電解液在負極表面的還原分解而形成的。這層膜的性質和質量直接影響著電極的充放電性能和安全性。

（2）電池組壽命的影響因素 電池組壽命的影響因素除了單體電池本身所含因素以外，還包括不一致性、成組方式、溫區差異和振動環境等。

在車輛上應用，不一致性對電池組壽命的影響有三個方面：

1）車輛行駛距離相同，因容量不同，電池的放電深度也不同。在大多數電池還屬于淺放電的情況下，容量不足的電池已經進入深放電階段，并且在其他電池深放電時，低容量電池可能已經沒有電量可以放出，成為電路中的負載。

2）同一種電池都有相同的最佳放電率，容量不同，最佳放電電流就不同。在串聯組中電流相同，所以有的電池在最佳放電電流工作，而有的電池達不到或超過了最佳放電電流。

3）在充電過程中，小容量電池將提前充滿，為使電池組中其他電池充滿，小容量電池必將過充電，充電后期充電電壓偏高，甚至超出電池電壓最高限，形成安全隱患，影響整個電池組充電過程，并且過充電將嚴重影響電池的使用壽命。

在新能源軌道車輛上電池組可能根據需要布置在不同位置，電池所處的熱環境存在差異，如部分電池可能靠近電機等熱源，而部分電池可能處于通風狀況良好的區域；或者在同一位置的電池內由于通風條件的差異導致單體間的溫差。應采用較好的冷卻措施，以避免電池在同種工況下以不同特性工作。

此外，車輛的振動環境將對電池的機械特性產生影響，如極耳斷裂、電解液泄漏、電氣連接件松動、活性物質脫落等，對電池及電池組的壽命和使用性能都將產生負面影響。

2.2.3 動力電池管理系統

動力電池管理系統（Battery Management System，BMS）是用于對動力電池組進行安全監控及有效管理，提高動力電池使用效率的裝置。其作用包括：實現對電池狀態（溫度、電壓、電流等）的在線監測；SOC估算；狀態分析（SOC是否過高、電池溫度是否過高/低、單體電池電壓是否超高/低、電池的溫升是否過快、絕緣是否故障、是否過電流、電池的一致性分析、電池組是否存在故障以及是否通信故障等）；動力電池箱的熱管理。

通過動力電池管理系統對電池組充放電的有效控制，可以達到增加續駛里程、延長使用壽命、降低運行成本等目的，并保證動力電池組應用的安全可靠性。動力電池管理系統已成為新能源軌道車輛不可缺少的核心部件之一。

1. 動力電池管理系統的基本構成和功能

動力電池管理系統是集監測、控制與管理為一體的復雜的電氣測控系統，也是車輛商品化、實用化的關鍵。新能源軌道車輛在運行時，動力電池的放電和充電均為脈沖工作模式，大的電流脈沖很可能會造成動力電池過充（超過80%SOC）、深放（小于20%SOC）甚至過放（小于0%SOC），因此動力電池管理系統一定要對動力電池的荷電狀態敏感，并能夠及時做出準確的調整，這樣才能根據動力電池容量決定電池的充放電電流，從而實施有效控制，根據各動力電池單體容量的不同，識別動力電池組中各電池間的性能差異，并以此做出均衡充電控制和電池是否損壞的判斷，確保電池組的整體性能良好，延長電池組的壽命。

準確和可靠地獲得電池SOC是動力電池管理系統中最基本和最首要的任務，在此基礎上才能進行有效的用電管理，特別是防止動力電池的過充及過放。動力電池的荷電狀態是不能直接得到的，只能通過對電壓、電流、電池內阻、溫度等動力電池特性參數來推斷。這些參數與SOC的關系為復雜的非線性關系。

動力電池管理系統的主要工作原理可簡單歸納為：數據采集電路采集電池狀態信息數據后，由電子控制單元（ECU）進行數據處理和分析，然后電池管理系統根據分析結果對系統內的相關功能模塊發出控制指令，并向外界傳遞參數信息。

在功能上，電池能量管理系統主要包括：數據采集、電池狀態計算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機接口。圖2-8為電池管理系統功能框圖。

1）數據采集。采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統性能的重要指標，采樣速率一般要求大于200Hz（50ms）。

2）電池狀態計算。包括電池組荷電狀態（SOC）和電池組健康狀態（SOH）兩方面。SOC用來提示動力電池組剩余電量，用于估算車輛續駛里程；SOH用于預估可用壽命等健康狀態參數。

3）能量管理。能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數為條件進行放電功率控制兩個部分。

4）安全管理。監視電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止電池組過充過放。在對電池組進行整組監控的同時，多數電池管理系統已經發展到對極端單體電池進行過充、過放、過溫等安全狀態管理。

5）熱管理。通過風扇等冷卻系統和加熱裝置使電池溫度處于正常工作范圍內。在電池工作溫度超高時進行冷卻，低于適宜工作溫度下限時進行電池加熱，并在電池工作過程中總保持電池單體間溫度均衡。熱管理在大功率放電和高溫條件下使用時尤為重要。

6）故障診斷與報警。當蓄電池電量或能量過低需要充電時，及時報警，以防止電池過放電而損害電池的使用壽命；當電池組的溫度過高、非正常工作時，及時報警，以保證蓄電池正常工作。

7）均衡控制。在電池組各個電池之間設置均衡電路，實施均衡控制，以保證各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體電池組的工作性能。

8）通信功能。通過總線實現電池參數和信息與車載設備或非車載設備的通信，為充放電控制、整車控制提供數據依據是電池管理系統的重要功能之一，根據應用需要，數據交換可采用不同的通信接口，如模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口。

9）人機接口。根據設計的需要設置顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等。

某車輛動力電池管理系統的基本功能框圖如圖2-9所示。

動力電池管理系統的基本功能及描述見表2-7。

2. 動力電池管理系統的設計

電池管理系統的硬件電路通常可被分為兩個功能模塊，即電池監測回路（Battery Moni-toring Circuit，簡稱BMC）和電池組控制單元（Battery Control Unit，簡稱BCU）。

（1）BMC與各個單元電池之間的拓撲關系BMC與各個單元電池之間的拓撲關系包括1個BMC對應1個單元電池，如圖2-10a所示，以及1個BMC對應多個單元電池，如圖2-10b所示。

兩種拓撲關系的優劣對比見表2-8。

（2）BCU與BMC之間的拓撲關系BCU與BMC之間的拓撲關系有以下三種：

1）BCU與BMC共板。對于動力電池的個數較少的情況，電池管理系統的規模較小，BCU與BMC可以設計在同一塊電路板上，對車上的所有動力電池進行統一管理。在某種特殊的情況下，BCU和BMC的功能甚至可以合并到同一塊集成電路芯片中完成。采用這種拓撲結構的電池管理系統成本較低，但不適用于電池數量較多、規模較大的車輛應用場合。

2）星形連接方式（圖2-11）。相對于BCU與BMC共板的結構，其他的拓撲關系都屬于BMC與BCU分離的方式，需要解決BMC與BCU之間的相互通信問題。其相互通信一般會采用特定的通信協議來進行。然而，通信總線的物理連接可以采用不同的拓撲結構組合。從外觀上來看，BCU位于中央位置而每一個BMC模塊均以線束與之相連，通常BCU中還帶有一個總線集中模塊，使得多個BMC能共享通信信道。星形連接方式的優點是：

便于進行介質訪問控制。

某個BMC的退出或者故障不會對其他BMC的通信造成影響。

這種接方式的缺點在于：

通信線路的長度較長，難維護。

可擴展性差，受總線集中模塊端口的限制，不能夠隨意地增加多個BMC單元。

3）總線型連接方式（圖2-12）。BCU與BMC以總線型的方式進行連接，每塊電路板都是通信總線的一部分，與前面的星形連接相比，用于通信信道的線材開銷相對較少，連接方式更為靈活，可擴展性強。若電池組內需要增加電池及相應的BMC的數量，只需要增加一小段通信線材即可；反之，若某一個BMC需要退出整個系統，則只需要把相鄰的通信線路稍作延長即可。總線型連接方式的缺點是通信線路的相互依賴性，即第 n塊電路板要與BCU通信，需要利用前面 n -1塊板子，若其中某一塊電路板出故障，則后續的BMC與BCU之間的通信則會立即受到影響。

值得一提的是，無論采用星形或者是總線型的物理連接方式，都指的是其拓撲形式，而從通信網絡的角度看，兩種方式都存在介質訪問競爭，BCU與BMC之間常用總線通信協議進行信息交互，需要進行隔離設計。

3. 動力電池狀態監測的相關問題

（1）精度

1）電池電壓。電池電壓采集的精度需求，往往是與電壓數據的服務對象相關的。如果電壓數據是用于過壓保護的，則磷酸鐵鋰電池的電壓平臺區在3.2～3.3V附近，而高壓保護門限在3.6V以上，因此對電壓采樣的精度要求相對較低。在電池管理系統的各種功能中，對電壓采集精度要求較高的，應該是SOC估算環節了。

電池的SOC與其電動勢（近似可以理解為開路電壓）之間存在著對應關系，可以根據電池的開路電壓求得電池的SOC值。那么，在這種情況下，對電壓采集精度的要求就可以轉化為對SOC估算精度的要求了。以某款電池為例，△SOC=5%所對應的最小電動勢差值為△EMF=0.0019V。由此可見，若系統要求SOC的評估誤差要求小于5%，則電壓監測的誤差應小于0.0019V，即大概相當于2mV。在確定了電壓采集的精度指標以后，就需要選擇合適的電壓采集方式和模/數轉換器來實現了。

2）電池電流。相對于電壓、溫度等其他物理量，電流監測具有以下特點：

電流的采樣通道少。在動力電池組中，由于電池個數多，電壓和溫度采樣點較多；而多個動力電池往往串聯使用，各電池的工作電流相同，基本上只需要對串聯后的總電流進行監測，采樣通道較少。

電流的采樣頻率高。電流的采樣頻率對于剩余電量的評估精度及系統安全性有著重要的影響。

可以從以下三個方面來確定電流監測的精度指標：

① 從安全性的角度考慮。為了保證車輛的安全，電池管理系統對充、放電電流設置門限，通過啟動過流保護措施進行防護。一般設定的保護門限值要高于放電電流正常工作電流的最大值，因此即使電流監測存在一定的誤差，也不會對過流保護功能造成過大的影響。

② 從儀表顯示的角度考慮。因為車輛的工作電流通常較大，儀表顯示的電流數值允許有較大的誤差。但在車輛駐車狀態下，應控制好儀表顯示誤差，以免誤導駕駛員。

③ 從剩余電量評估的需求考慮。從剩余電量評估的需求所考慮的電流監測精度更需要側重于考慮其相對誤差。在電流采樣頻率足夠高（滿足奈奎斯特采樣定理）的前提下，利用電流積分法（稱電荷累積法或者CC法）來評估剩余電量的精度直接取決于電流監測的精度。例如，在過去的1小時內，電流監測的平均相對誤差為5%。那么，利用電流積分所估算的在過去1小時內所消耗的電量的誤差也是5%。若電流監測存在系統誤差，即固定地偏大或偏小，所估算的電量消耗值也會相應地偏大或偏小。

3）溫度。溫度測量的誤差會影響剩余電量評估的準確度，應盡量保證良好的冷卻效果。

（2）時延問題 在電池狀態監測的問題上，狀態信息的采集環節、信息的傳遞環節、信息的處理環節總會或多或少地存在著時延。造成狀態信息時延的因素包括電池監測回路（BMC）的信息采集環節、通信網絡的信息傳遞環節及電池控制單元（BCU）的信息處理環節。

1）BMC造成的時延。BMC是與所采集的物理量最接近的芯片及輔助電路，根據不同的應用場合前端芯片可以是單片機、模數轉換器及某些專為電池管理系統而設計的芯片，把電池電壓等模擬信號轉成數字信息，造成時延的主要原因也就是模/數轉換所需要的時間。通常對一個信號進行8bit的模/數轉換大概需要100μs的時間，隨著轉換位數的增大，電壓采集的時延隨之增大。

2）通信網絡造成的時延。如果電池管理系統中采用了總線網絡來傳遞信息，那么，通信的控制方式以及通信波特率的設置等因素將造成通信網絡的時延。如果通信總線里面還有其他節點，由于總線競爭而造成的時延將會更大。

3）BCU造成的時延。BCU內含有在電池管理系統中執行最高決策的芯片，包括安全管理、能量管理、均衡管理等功能均由主芯片負責實施。但在實際應用中，由于電池數量較多，位置分散，甚至需要分級管理，BCU與BMC之間存在協調問題，造成時延。

在電池狀態監測的過程中，解決非實時與非同步問題的思路可以從必要性和可行性兩個方面著手。就必要性而言，就是要根據不同應用場合的需求，分析信息延遲的可容忍范圍，明確對狀態數據監測的實時性、同步性的要求，確定設計指標。從可行性而言，根據設計指標的要求，綜合成本、可靠性等因素來選擇合適的拓撲結構、核心器件、網絡參數等，進而得到一個合理的解決方案。比如，我們可以通過分析狀態信號的特征，選擇采樣頻率；也可以根據不同需求，對電流、電壓、溫度等不同的指標設定不同的采樣頻率。

（3）隔離問題 對于多電池檢測的電路必須考慮通信隔離問題，原因在于兩個方面：首先，檢測電路由動力電池的局部供電，各個局部之間串接而非共地，但通信總線一般要求共地接法，因此存在矛盾；其次，檢測電路與動力電池相連，而動力電池在工作過程中電壓非恒定，若直接與通信總線連接，將會對通信線路形成干擾。

目前通信隔離的常用手段是光隔離，也就是兩個電路在線路連接上斷開，只用光耦合器把信息從一個電路耦合到另外一個電路上。當然，為了實現雙工通信，一般需要為每個通信單元配置兩個光耦合器。隨著技術的發展，解決通信隔離問題的手段也越來越豐富多樣。有些單片機芯片有自帶的CAN總線控制模塊或支持其他總線協議的通信控制模塊，甚至自帶有光隔離模塊。而且，除光隔離以外，還有其他多種方式來實現通信隔離。

4. 動力電池均衡控制管理

為了平衡電池組中單體電池的容量和能量差異，提高電池組的能量利用率，在電池組的充放電過程中需要使用均衡電路。動力電池的能量控制管理包括充電控制管理、放電控制管理以及電池的均衡控制管理，有助于提升電池組的整體容量和控制動力電池的充放電深度。能量控制管理功能的好壞體現出動力電池管理系統的水平。

（1）動力電池均衡控制管理的難點

1）單體電池的荷電狀態SOC的評估。過去某些簡單的電池均衡算法往往以電池的電壓作為均衡依據，即認為電壓較高的電池需要失去電荷，電壓較低的電池需要補充電荷。而實際上，電池均衡的最佳依據應該是電池的剩余電量或荷電狀態。電壓的監測和判斷較為簡單，但電池的剩余電量或荷電狀態的評估卻相對困難。

2）單體電池容量的獲取。要獲取單體電池的容量，其困難在于以下兩個方面：

① 電池容量受SOH的影響。一般來說，電池一旦裝車使用，其性能會不斷衰減，有效容量不斷減少。然而，每個電池的有效容量均有差異，要獲得其SOH的值，必須要對每個電池單獨進行一次充滿并馬上進行放空，對于已經裝車使用的電池，這樣的評估難以經常對每個電池單獨進行。

② 實際的容量受運行工況限制。即使能知道每個單體電池的SOH，由于難以預計車輛的運行工況，電池實際的有效容量難以獲取。

（2）動力電池均衡控制管理的方法

1）集中式均衡與分布式均衡。按均衡電路的拓撲結構分類，可以分為集中式均衡方案和分布式均衡方案。集中式均衡方案是指整個電池組共用一個均衡器，通過逆變分壓等技術對電池組能量進行分配，以實現單體電池與電池組之間的能量均衡。而分布式均衡方案中，均衡模塊是由個別電池所專用。圖2-13所示為一個典型的集中式均衡拓撲結構。該結構中，電池組內所有的電池都可以利用同一個均衡器（均衡電容）進行均衡操作。

圖2-14為一種典型的分布式電池均衡拓撲結構。該結構通過在每個電池上并聯一個旁路電阻，并利用一個電子開關控制均衡操作。

比較以上兩種均衡方式，集中式均衡方案能迅速地集整個電池組之力為待均衡的個別電池轉移能量，所配置的公用均衡器的性能較好，故均衡速度較快，而且從整體來說，集中式的均衡模塊的體積也比分布式的（總和）更小；然而，集中式均衡方案中，各個電池之間形成競爭關系，多個電池的均衡操作不能并行，而且各電池與均衡器之間需要大量的線束連接。可見，集中式均衡方案不太適用于電池數量較多的電池組。

2）放電均衡、充電均衡與雙向均衡。按照均衡的作用過程不同，可以將均衡控制管理分為放電均衡、充電均衡和雙向均衡。放電均衡方式是指在放電過程中實現各單體電池間的均衡，以保證放電過程中能夠將電池組中每個電池的剩余容量放至0，而不會出現有的電池已放電完全而有的電池尚有電量的情況。放電完全之后，用恒定電流以串聯充電的方式對電池組進行充電，直到電池組中有任何一個電池的剩余容量達到100%時結束充電。整個過程如圖2-15所示。

可以看出，放電均衡方式可以保證每一次充進電池的電量都可以完全釋放出來。但在充電過程中，根據“短板原理”，只能以最小容量的電池為截止上限。在充電過程中就并不能完全利用電池組的容量。

放電均衡的缺點是能量損耗過多，不便于在任何時候都開始進行（例如在電池剩余容量還比較多的情況下，進行放電均衡代價過大）；而且，放電均衡需要把電池剩余容量放空，從而增大了放電深度，有可能影響電池的循環壽命。

充電均衡方式是指在充電過程中采用上對齊均衡充電方式實現各個單體電池間的均衡，以保證充電過程中能夠將電池組中每個電池的容量都充至100%，如圖2-16所示。

充電均衡方式可以保證每一個單體電池的實際容量在充電過程中都發揮出功效。但充電均衡方式對放電過程沒有做任何控制，其放電過程遵循木桶原理，整個電池組的放電容量取決于容量最小的電池。與放電均衡相反，充電均衡對于在電池組處于任何荷電狀態前提下都適用。

雙向均衡方案則是綜合了放電均衡方案和充電均衡方案兩者的優點，在充電和放電過程中都引入均衡控制，這樣既能保證每一個電池都能放電到SOC下限，又能保證每一個電池都充電到SOC為100%。由于加入了放電均衡過程，這種方案同樣存在能量損耗過多，容易損害電池等問題。但這種方法有利于評估電池最大容量，可用于電池健康狀況診斷。

（3）耗散型均衡與非耗散型均衡 按照在均衡過程中是否努力嘗試對電池組的能量進行保護，可以將均衡控制方案分為耗散型均衡和非耗散型均衡兩種。

1）耗散型均衡。耗散型均衡方案指利用并聯電阻等方式將電池組中荷電狀態較多的電池的能量消耗掉，直到與組內其他電池達到均衡。該方法的實現過程如下：定時檢測各個單體電池的電壓，當某些單體電池的電壓超過電池組平均電壓時，接通這些高能電池的并聯電阻，使它們的一部分能量消耗在并聯電阻上，直到它們的電壓值等于電池組平均電壓。

耗散型均衡方案控制邏輯簡單，硬件上容易實現，成本較低，是早期均衡控制最常用的方案。但是，這種方法以消耗電池組的部分能量為實施手段，均衡過程一般在充電過程中完成，對容量低的單體電池不能補充電量，存在能量浪費和增加熱管理系統負荷的問題，對于車輛而言，存在通風不好導致過熱的安全隱患。

能量耗散型均衡充電電路一般又分恒定分流電阻均衡充電電路、開關控制分流電阻均衡充電電路兩類，其優缺點見表2-9。

2）非耗散型均衡。非耗散型均衡（也稱作無損均衡）利用中間儲能元件和一系列的開關元件，將電池組中荷電狀態較高的電池的能量轉移到荷電狀態較低的電池中去，以達到均衡目的。無損均衡方案用到的中間儲能元件一般有電容和電感兩種。無損均衡正好可以彌補耗散型均衡的缺點，但它也存在著控制邏輯電路復雜等方面的缺點，且由于器件損耗，非耗散型均衡并不能做到真正的無損。

非能量耗散型電路的耗能相對于能量耗散型電路小很多，但電路結構相對復雜，可分為以下兩種方式：

① 能量轉換式均衡。能量轉換式均衡是通過開關信號，將電池組整體能量對單體電池進行能量補充，或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉換。其中單體能量向整體能量轉換，一般都是在電池組充電過程中進行。該電路是通過檢測各個單體電池的電壓值，當單體電池電壓達到一定值時，均衡模塊開始工作，把單體電池中的充電電流進行分流從而降低充電電壓，分出的電流經模塊轉換把能量反饋回充電總線，達到均衡的目的。還有的能量轉換式均衡可以通過續流電感，完成單體到電池組的能量轉換。

電池組整體能量向單體轉換也稱為補充式均衡，即在充電過程首先通過主充電模塊對電池組進行充電，電壓檢測電路對每個單體電池進行監控。當任一單體電池的電壓過高，主充電電路就會關閉，然后補充式均衡充電模塊開始對電池組充電。通過優化設計，均衡模塊中充電電壓經過一個獨立的DC/DC變換器和一個同軸線圈變壓器，給每個單體電池上增加相同的次繞組。這樣，單體電壓高的電池從輔助充電電路上得到的能量少，而單體電壓低的電池從輔助充電器上得到的能量多，從而達到均衡的目的。

此方式的問題在于次繞組的一致性難以控制，即使副邊繞組匝數完全相同，考慮到變壓器漏感以及副邊繞組之間的互感，單體電池也不一定獲得相同的充電電壓。同時，同軸線圈也存在一定的能量耗散，只對充電起均衡作用，對放電均衡不起作用。

② 能量轉移式均衡。能量轉移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把電池組中容量高的單體電池，通過儲能元件轉移到容量比較低的電池上。該電路是通過切換電容開關傳遞相鄰電池間的能量，將電荷從電壓高的電池傳送到電壓低的電池，從而達到均衡的目的。另外，也可以通過電感儲能的方式，對相鄰電池間進行雙向傳遞。此電路的能量損耗很小，但是均衡過程中必須有多次傳輸，均衡時間長，不適于多串的電池組。改進的電容開關均衡方式，可通過選擇最高電壓單體與最低電壓單體電池間進行能量轉移，從而使均衡速度加快。能量轉移式均衡中能量的判斷以及開關電路的實現較困難。

除上述均衡方法外，在充電應用過程中，還可采用涓流充電的方式實現電池的均衡，不需要外加任何輔助電路。由于充電電流很小，過充對滿充電池所帶來的影響并不嚴重。由于已經充飽的電池沒辦法將更多的電能轉換成化學能，多余的能量將會轉化成熱量。而對于沒有充飽的電池，卻能繼續接收電能，直至到達滿充點。但這種方法需要很長的均衡充電時間，且消耗相當大的能量來達到均衡。

2.2.4 動力電池相關關鍵技術

1. 動力電池SOC評估

SOC是防止動力電池過充和過放的主要依據。在新能源軌道車輛中，準確估算蓄電池SOC可有效利用和保護動力電池，保證電池組的使用壽命，提高整車性能，提高經濟性。動力電池SOC評估方法有以下三種。

（1）電荷累積法 電荷累積法（Coulomb counting Method，簡稱為CC法）又稱容量積分法，是預先知道上一時刻電池剩余電量狀態，并對一段時間內動力電池充入、放出的電荷進行統計，從而得到當前電池荷電狀態的一種方法。

假設上一時刻t₁電池的剩余電量為，當前時刻t₂電池的剩余電量為，從t₁到t₂期間電池充入、放出的累計電量為

那么

式（2-7）中，i（t）可以取正也可以取負，當i（t）＞0時，表示電池在放電，當i（t）＜0時，則表示電池在充電。

同理，在式（2-8）中，若，表示在t₁到t₂這段時間內，總體而言電池放出電量多于充入電量，反之，若，則表示在t₁到t₂這段時間內，總體而言電池充入的電量多于放出的電量。

通過式（2-8）求得后，可以進一步通過比例運算求得此時的SOC值（%）。

然而，電荷累積法存在以下三個問題：

1）對初始值的依賴性。事實上，電荷累積法只能解決一段時間內電量變化的情況，而我們最終關心的是電池的剩余電量，這依賴于的準確性。若初始值存在誤差，則沒有辦法對其進行修正。

2）累積誤差的問題。由于電流傳感器精度不足、采樣頻率低、信號受干擾等原因，用于積分的電流i（t）與真實值相比存在一定的誤差，多次循環之后會出現一些誤差積累。目前的校正方法大多利用電池組電壓來校正因電流積分導致的累積誤差。通過電池組放電到放電終止電壓時，無論SOC值為多少都置為0，這樣可以避免長時間積分的累積誤差。有的在電池組靜態時采用電壓法來校正SOC，而在工作時用電流積分的方法。然而由于電壓和容量的對應關系，受到了溫度和放電電流大小的影響，且電池組的電壓和容量的對應關系，受電池組均衡性的影響較大，僅僅通過電壓校正的方法也需要作進一步的改進。另一種較為有效的校正方法就是把電池充至飽滿或將電池的剩余電量全部放光。當然，這種方法會減少電池的循環使用壽命，實用性不強。

3）不能應對電池的自放電問題。幾乎所有的二次電池都存在自放電問題，即電池中的電荷以極其慢的速度放出來。電荷累積法對于這種現象幾乎是無能為力的，其原因在于：自放電的等效電流很小，一般的電流傳感器無法準確測量；相當一部分自放電電流并不走工作電流的回路，設置在工作電流回路中的傳感器自然檢測不到自放電電流；自放電可能發生在電池管理系統不工作的情況下，例如汽車“熄火”以后閑置在車庫里，此時BMS并不需要工作，自然也無法監測電池的自放電情況。

（2）開路電壓法 開路電壓法（Open-Circuit Voltage method）簡稱OCV法，就是當電池既不處于充電狀態，也不處于放電狀態，即工作電流為0的情況下，通過測量動力電池的開路電壓（OCV）來估算電池的SOC。使用開路電壓法一般基于以下三個前提：

1）SOC與電池的電動勢（EMF）有一一對應關系，即給出0～100%之間的任意一個SOC值，存在唯一的一個電動勢（EMF）值與之對應。

2）在工作電流為0的情況下，開路電壓（OCV）與電池電動勢（EMF）相等。

3）不考慮溫度及電池老化程度等因素，即認為在不同的溫度條件下，不同老化程度的電池具有相同的SOC-EMF曲線。

由電池的工作特性可知，電池組的開路電壓和電池的剩余容量存在著一定的對應關系。隨著放電電池容量的增加，電池的開路電壓降低。由此可以根據一定的充放電倍率時電池組的開路電壓和SOC的對應曲線，通過測量電池組開路電壓的大小，插值估算出電池SOC的值。

該方法簡單易行，但不同充放電倍率時電池組的電壓不一致，因此在電流波動比較大的場合，這種計量方式將失去意義。開路電壓法對單體電池的估計要優于電池組，當電池組中出現的單體電池不均衡，會導致電池組的容量低時電壓會很高，因此該方法不適合于個體差異大的電池組。然而，開路電壓法也存在著許多不足，在電池正常工作時不能使用，而需要等到電池停止工作一段時間后才能使用。

（3）一種折中的方法 由于電荷累積法和開路電壓法的優缺點存在明顯的互補性，有學者又提出一種折中方法：當電池處于工作狀態（工作電流大于設定的門限值）時，用電荷累積法實時更新SOC值，同時，為了消除電荷累積法的累積誤差，并解決電荷累積法的初始SOC評估問題，在電池系統每次起動時，或電池組存在短暫不工作的時期，利用開路電壓法對SOC進行校準。

該方法能夠在一定程度上彌補電荷累積法存在的不足，如每隔一段時間消除累積誤差，并解決了電池應用長期靜置不用后SOC的初值問題、自放電問題等。同時，該方法也解決了電荷累積法無法在電池組正常工作時估算SOC值的問題。

這種折中的方法在實際的BMS系統中得到了廣泛的應用。但該方法并不能解決開路電壓法本身所存在的不足，例如電流為零問題、電壓滯回效應以及EMF受溫度和使用歷史影響等問題。因此，對SOC評估算法的改進依然是一個值得研究的課題。

動力電池SOC評估的難點在于：

1）電池狀態監測不準確對評估造成的困難。剩余電量并非一個可以直接測量的值，而需要通過電壓、電流等狀態量的測量值來進行間接估算，電池狀態監測環節的誤差是不可避免的，因此，電池剩余電量評估的誤差也是不可避免的。電池狀態監測的不準確性主要表現在由傳感器精度引起的狀態監測不準確，以及由電磁干擾引起的狀態監測的不準確。

2）電池的不一致性對評估造成的困難。動力電池在制造過程中，由于材料、工藝等各方面的差異，導致不同批次的電池之間，甚至同一批次的不同電池之間存在較大的差異性，這樣的差異對電池剩余容量的評估造成了一定困難。

3）運行工況的不確定性對評估造成的困難。在車輛工作過程中，工況可能是千變萬化的。駕駛員無法預知下一時刻的工作狀況，這對剩余電量或SOC的評估造成了一定的困難：受多種因素影響，剩余電量并不能完全釋放；在剩余電量一定的前提下，電池組實際可以放出的能量是不一樣的。

2. 提高動力電池一致性的措施

電池組的一致性指同一規格型號的單體電池組成電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內阻及其變化率、壽命、溫度影響、自放電率等參數存在一定的差別。電池組的一致性是相對的，不一致性是絕對的。為提高電池組的利用效率和性價比，在應用過程中，需要采取一定的措施，減緩電池不一致性擴大的趨勢或速度。根據動力電池應用經驗和試驗研究，為保證電池組壽命逐步趨于單體電池的使用壽命，常采用如下措施：

1）提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，以電壓、內阻及電池化成數據為標準進行參數相關性分析，篩選相關性良好的電池，以此來保證同批電池的性能盡可能一致。

2）在動力電池成組時，務必保證電池組采用同一類型、同一規格、同一型號的電池。

3）在電池組使用過程中檢測單體電池參數，尤其是動、靜態情況下（車輛停駛或行駛過程中）的電壓分布情況，掌握電池組中單體電池不一致性發展規律，對極端參數電池及時進行調整或更換，以保證電池組參數不一致性不隨使用時間而增大。

4）對使用中發現的容量偏低的電池，進行單獨維護性充電，使其性能恢復。

5）間隔一定時間對電池組進行小電流維護性充電，促進電池組自身的均衡和性能恢復。

6）盡量避免電池過充電，盡量防止電池深度放電。

7）保證電池組良好的使用環境，盡量保證電池組溫度場均勻，減小振動，避免水、塵土等污染電池極柱。

8）采用電池組均衡系統，對電池組充放電進行智能管理。

3. 動力電池梯次利用

動力電池梯次利用指當動力電池不能滿足現有電動車輛的功率和能量需求時，繼續將其轉移應用到對動力電池能量密度、功率密度要求低一個等級的其他領域，通過電池在不同性能需求領域的傳遞使用，實現動力電池性能充分利用和在動態應用中報廢，以降低電池使用成本的目標。動力電池經過一定的充放電循環后，電池容量衰退到本梯次應用的最小容忍值，可轉移應用為下一梯次車輛作為動力源。以100A·h鋰離子動力電池單體為例，可將應用梯次依據容量劃分為四個梯次，見表2-10。

電池梯次利用理論研究處于剛剛起步階段，其關鍵技術包括：

1）電池梯次分類的判定技術。

2）應用于多級轉運的電池組的模塊化。

3）標準化設計技術。

4）在管理上梯次利用供應鏈的形成機制。

2016年底，工信部發布動力電池回收利用管理辦法征求意見稿，落實生產者責任延伸制度，汽車生產企業承擔動力電池回收利用主體責任。工信部同有關部門研究制定財稅優惠、產業基金、積分管理等激勵政策，研究探索動力電池殘值交易等市場化模式，促進動力電池回收利用。預計到2020年，我國車載動力電池累計報廢量將達到12～17萬噸，潛在市場空間較大。同時，隨著鋰電原材料價格的上漲，鋰電回收已具備較強經濟性，有利于相關公司進行業務布局。我國動力電池的標準體系不斷完善，僅2017年就出臺了電池規格尺寸、編碼制度和拆解規范等相關國家標準，為動力電池的梯次利用包括用于儲能提供了有力支撐。

2.2.5 國內外產品

目前全球鋰電池的主要生產國為中國、日本及韓國。憑借產業優勢和技術積累，松下、LG化學、三星SDI目前仍是鋰電池領域三大巨頭。據統計，2017年一季度全球動力電池出貨量5273MW·h，其中三巨頭總計占比達62%。松下采用高鎳三元路線，封裝以圓柱形為主，其圓柱形電池能量密度世界領先，與特斯拉保持良好的合作關系，是動力電池行業的領導者；LG化學起步稍晚，電池正極主要是三元NCM，是海內外公認的軟包龍頭，擁有眾多優質客戶，包括現代、通用、雷諾、日產等，是動力電池行業的后起之秀；三星長期立足消費類鋰電的研發生產，技術積累深厚，以發展大容量方形硬殼電池為主。近年來國內CATL、比亞迪、國軒等企業也相繼完成了各自技術路線的初步探索，在產能規模上成為日韓動力電池巨頭有力的挑戰者。

1. 國外產品及廠家

（1）松下鋰電池 松下電器產業株式會社創建于1918年，于1994年開始研發可充電鋰電池。1998年松下開始量產筆記本電腦專用的圓柱形鋰電池，并建成了業內領先的鋰離子電池生產線。2008年11月，松下宣布與三洋電機合并，一躍成為全球最大的鋰電池供應商。隨著新能源汽車的興起，2008年，松下生產的18650鈷酸鋰電池被特斯拉首款車型Roadster采納，成為特斯拉最主要的動力電池供應商。松下動力電池正極使用的是高鎳三元材料，電芯封裝以圓柱形為主。圓柱的優點包括生產工藝成熟，產品良率高，有如18650、21700等統一規格型號，整體成本有優勢。同時，其缺點也比較明顯，圓柱形電池一般采用鋼殼或鋁殼封裝，重量較大，比能量相對較低。目前，松下絕大部分動力電池供給特斯拉。Model S和Model X使用的是18650圓柱形電池，最新一代18650電池正極采用NCA材料，負極使用硅碳復合材料，單體能量密度可達250W·h/kg。Model 3使用的21700圓柱形電池，單體能量密度提高到340W·h/kg，是目前市面上單體能量密度最高的電池。

（2）東芝鈦酸鋰電池 東芝鈦酸鋰電池的負極材料中采用鈦酸鋰（LTO）。東芝動力鋰電池以高安全性為基礎，具有充放電壽命高、輸出功率高、充放電時間短、低溫特性出色等特點。東芝的鈦酸鋰電池包括了功率型電池2.9A·h、10A·h和能量型電池20A·h、23A·h。其中，2.9A·h電池在35℃下，SOC范圍20%～80%的條件下，10C充電/10C放電的循環壽命高達40000次以上，10A·h電池在5C充電/5C放電條件下，循環20000次以后容量保持率還在90%以上，20A·h電池在3C的充放電電流下，循環壽命可以保持在15000次以上（容量保持率＞80%）。該公司目前正在積極開發以150W·h/kg能量密度為目標的單元。

（3）LG動力鋰電池LG化學隸屬于韓國三大集團之一LG集團，1998年開始研發鋰離子電池，目前已可從Cell、模塊、BMS、Pack開發到技術支持，提供與動力電池相關的全部產品組合。2016年動力電池出貨量達到7.3GW·h。在技術上，LG化學主要采用三元NCM正極材料和疊片式軟包設計，是海內外公認的軟包龍頭企業。軟包鋰電池所用的關鍵材料，包括正極材料、負極材料及隔膜，與傳統的鋼殼、鋁殼鋰電池之間的區別不大，最大的不同之處在于軟包裝材料（鋁塑復合膜），其優勢在于：

1）安全性能好。軟包電池在結構上采用鋁塑膜包裝，發生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，不會爆炸。

2）重量輕。軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%，較鋁殼鋰電池輕20%。

3）內阻小。軟包電池的內阻較鋰電池小，可以極大地降低電池的自耗電。

4）循環性能好。軟包電池的循環壽命更長，100次循環衰減比鋁殼少4%～7%。

5）設計靈活。外形可設計為任意形狀，可以更薄，可根據客戶的需求定制，開發新的電芯型號。

軟包電池的不足之處是一致性較差，成本較高，易發生漏液，技術門檻高。

（4）三星SDI電池2015年5月，三星SDI100%收購MagnaSteyr從事電池業務的子公司MSBS，從此三星SDI構建起從電池單元、模塊到電池組完整的車載電池業務體系。在全球小型消費鋰電池市場中，三星SDI獨占鰲頭。但在動力電池領域，相比松下和LG化學，三星SDI無論營業收入還是動力電池出貨量都顯得稍遜一籌。與松下、LG化學不同，三星SDI動力電池封裝形式以方形為主，同時積極跟進21700電池的生產，正極材料主要采用三元NCM和NCA材料。采用這種技術能夠生產大容量單體電池。此外，方形電池殼體多為鋁合金、不銹鋼等材料，內部采用卷繞式或疊片式工藝，對電芯的保護作用優于鋁塑膜電池（即軟包電池），電芯安全性相對圓柱形電池也有了較大改善。方形電池的不足之處在于型號太多，工藝難以統一。

（5）SAFT電池SAFT公司是世界領先的電池供應商，在可再生能源儲存、運輸和電信網絡市場占有一定份額。2013年第二季度交付鐵路混合動力電池和叉車電池，2015年開始給歐洲主要商用車廠商供應電池組。

2. 國內產品及廠家

（1）CATL動力鋰電池CATL成立于2011年，總部位于福建寧德，2015年寧德時代新能源完成股權變更，成為全中資公司。公司研發生產鋰離子電池、電池模組、電池系統、動力總成、大型電網儲能系統、智能電網儲能系統、分布式家庭儲能系統及電池管理系統（BMS）。

（2）比亞迪動力鋰電池 比亞迪鋰電池的研發和生產主要集中在比亞迪鋰電池有限公司，該公司是比亞迪全資子公司。比亞迪在2003年就開始了車用動力鋰電池的研究和開發工作。比亞迪新能源產業涉及礦產、電池材料（六氟磷酸鋰、隔膜、電解液、正極材料）、鋰電池、車輛等領域，打通了上游礦產資源到下游整車全產業鏈，實現產業鏈閉環，生產基地包括廣東惠州、廣東深圳、青海西寧。

（3）合肥國軒動力鋰電池 合肥國軒高科動力能源股份公司是一家專業從事新型鋰電池及其材料的研發、生產和經營，擁有自主知識產權核心技術的大型高新技術企業。公司成立于2006年5月，2012年11月改制為股份公司，截至2017年2月13日，總市值272億元。公司位于安徽省合肥市新站區瑤海工業園，占地120余畝，總建筑面積10萬余平方米，注冊資金1.8億元。公司生產的磷酸鐵鋰正極材料、BMS管理系統以及儲能型和功率型鐵鋰電池等十多個系列產品已在新能源汽車、電動自行車、風光互補路燈、大型儲能基站等戰略性新興產業領域得到廣泛應用。生產基地包括安徽合肥、山東青島、江蘇昆山、江蘇南京、河北唐山、四川成都等。

（4）天津力神動力鋰電池 天津力神電池股份有限公司成立于1997年，是一家擁有自主知識產權核心技術的，專業從事鋰電池技術研發、生產和經營的股份制高新技術企業。產品包括軟包電池、圓柱電池、方形鋁殼電池。軟包電池主要針對數碼市場，圓柱電池則應用于數碼、動力市場，方形電池應用于動力市場。生產基地包括天津、山東青島、江蘇蘇州、四川綿陽等地，規劃到2020年產能達到20GW·h。

（5）天津普蘭納米鈦酸鋰電池公司成立于2009年，是全國首家專業致力于石墨烯基超級電容、鈦酸鋰電池的研發、生產和應用的高科技企業，目前在石墨烯和納米電極材料的應用領域，如鋰電池和超級電容等，處于國際領先水平。公司積20余年在碳納米和綠色能源領域的研究經驗和成果，系統地解決了傳統鋰電安全性低、循環性差、充放電慢等問題，為客戶提供完整的綠色儲能和新能源動力系統解決方案。