北京交大:电动车电池管理技术现状、成组电池的SOC定义方法、电池组的一致性的评价体系


北京交通大学、电气工程学院姜久春教授

北京交通大学、电气工程学院姜久春教授在第四届华南锂电(国际)高层技术论坛上演讲的文字实录:

【主持人:邓中一】下一位演讲者是北京交通大学、电气工程学院姜久春教授、副院长,前面谈到了很多的材料、电池,我们现在要讲电池管理系统。

【姜久春】各位专家,前面这些专家讲的都是从材料到Cell,我讲的是Cell到整个车上应用的情况,我是从应用角度讲的这个理解,希望能够和大家一起来分享。北京交通大学从97年开始做电动车的研究工作,从03年开始做了电池管理方面的一些工作,现在在国内电池管理大约是装车数量最多的,我们同时也设计了奥运会的充电站,我们现在负责上海世博会的充电站的建设工作,这我们学校的简单情况。

我的报告分成四个部分,一个是电池管理技术的现状,第二个是串联电池组充电模式,第三是成组电池的SOC定义方法,第四是电池组的一致性的评价体系。

在座的大家可能都很清楚目前的安全性和长上明是锂离子电池在推广上的主要的障碍,我主要讲一下这个成组电池的长寿命,其他的专家都讲了Cell循环的寿命的问题,事实上我们现在从目前国内的情况来看,当你把电池十几支或者是一百多支串起来使用之后,你就算单体做到2千次的话,实际上这个寿命绝对做不到800次,这个问题实际上比单体的寿命问题更严峻的问题了,我们原来最初最初只能够成组做到单体的1/3,现在能够做到2/3还要多一些。

另外一个方面是电池管理相关的技术现状,有些基本的问题需要解决,我们经过这么长时间的研究工作也有一些想法。我们来看一下车辆对这个有什么样的要求,一个是宽工作的温度范围高倍率的充电摆放集中,主要的问题是高温下充放电的性能和低温下充放电的性能和散热条件的问题。另外一个是大量成组充分利用电池的容量,这个主要的问题是一致性的问题,充放电过程中的电池过电压。这个问题其实是比较严重的,我们实际上在纯电动来运用的话尽可能利用成组电池的容量,事实上由于一致性的问题我们现在如果是单体电池可以做到100%的DOD,我们可以充电充到100%的SOC,有时候可以放到0%。我们成组以后充电之后只能够充到95%的SOC,这已经算是做得很不错的事情了,我100个电池串在一起充电的话大概可以做到95%充电,放电的时候用到整个的20%。这样的话实际上在我们充放电的过程中要维持安全性,保证单体电池不过充过放的化是整个电池的利用率下降,如果要提高利用率的话就要注意过充或者过放的现象。

另外一个长寿命的问题,电池经过一段使用之后电池的容量在下降,电池的内阻在增加。现在国内做电池管理这一块,电池管理的职责基本上很清楚了,一个是有效地监控电池的状态优化使用电池的能量,延长电池的寿命。电池的管理系统从现在来看主要是和外部的设备和充电机和ECU链接的问题,他们的连接电池管理系统是和ECU等等这些提供信息的,从我的理解来看,电池管理现在的情况一个是外部参数的检测、状态的估算、一致性评价数据分析、报警功能、对外通信的功能,主要的问题是他的性能不够强大。从我们对纯电动这一块来理解,我们认为电池管理就提供一个数据,当前情况下你以什么样的电压来充电或者是怎么样来放电,只要你告诉ECO和另外一个参数,这样对整个电池的管理功能就完成了,包括其他的功能报警的功能是另外的一个其他的功能。

性能不足的原因有几个方面,一个是电池性能的复杂性,这个涉及到电话学、涉及到电器、涉及到电子方面的东西,这些中间的参数是相互影响的,有很强的非线性的关系,还有我们造的电池的一致性,不仅仅是制造的一致性,使用过程的不一致也会对整个电池管理的性能也会带来很大的影响。

第二个方面是电池生产厂家还有BMS生产者或者是研制者还有充电机、电机控制器的研制者之间相对是独立的,没有组成一个很深入地配合。这样的话每个制造商他只是从某一方面来强调这一件事,比如电池生产厂家他就强调我提高CELL的性能,从BMS这一块,对于BMS研究者或者是制造商来说,对于我来说只要能够测量得到的是电池、电阻的外部参数,如果深入内部去研究一个电池的特性的话对我来说非常难的一件事情。从充电机和电机控制系数这一块主要是考虑提高我设备的稳定性来考虑的。

所以到现在为止,实际上在国内在使用过程当中一个是我们的这种使用电池组的基于电池的外特性,另外一个是把整组电池看成是单只电池的串联,整个电池组看成单体电池的串联看成一个大电池,只不过把他从3.2或者是3.7V扩大到300多V而已。还有一些是在原来的铅酸电池的基础上用这个电池组,还有一个是原来用的包括手机电池、包括笔记本电池的一些管理方法、管理概念,实际上到了动力电池上完全不是同样的东西,不能够把那些知识移过来,我们也做过一些包括国际上的大公司做过一些笔记本电池的研发工作。

这是串联电池组的充电方法,这是一些研究工作,现在我们的研究重点主要是想提高充电性能和充电效率,我刚才说了对于我们串联的电池组,我们充电的时候大概只能够把它充到95%,现在放电的时候用到20%,现在我们用了一种新的方法,我们把现在在运行的车可以把95%提高2%,提高到97%,这样实际上我多利用了2%的能量。我们这个研究主要是基于对于单体电池来说我们可能对每只电池每个Cell来说我们要对他的电池的状态进行监测的时候,我们会测出来他实际的内部电压,不让他极化、控制这种极化电压整组的充电的效率和充电的方法。其实这个和氰酸电池的充电有一点像,但是我们一直没有完整整理出一套体系来,但是实验是正在进行中。

现在用这种方法,一个是在充电过程中的管理系统依据当前的充电状态和电池的使用方法得到电池最大的允许充电流,这样充电过程当中充电机依靠管理系统提供最大的允许充电电流,控制的依据是使他的极化电压控制在一定的范围之内,我们可以得到一个比较好的充电方法可以提高整组电池的使用效率。这是现在在做的充电模式。

还有整组电池的SOC定义,我们原来的SOC定义是基于单只的单个Cell的定义的方法,我们在用电池组的过程当中我们发现这种方法存在一些问题,包括用容量的概念也是有一些问题的,所以我们一直在做SOC这方面的研究,到底整组电池是怎么定义的。SOC定义有两个问题,一个是没有考虑电池的差异性,串联之后不仅生产出现差异,还有使用过程当中SOC也会有差异,这样的话实际上原来的SOC根本不适合整组电池的定义方法,SOC的含义变得模糊起来了,不能有效地被使用。这是单只电池大家公认的SOC的定义办法。对于成组电池可能通过分析会得出这样的一个结论,电池组的容量和组内所有单只电池的容量及SOC密切相关,这个提到了每一个单只电池的容量,我们要知道每一个电池的SOC是什么样的情况,知道每个电池的实际容量是什么情况,所以电池组的容量所有单组电池的容量和SOC是有关的,你可以得到实际的我们这一组电池的容量是什么样的状况。i是电池组最早能够充满电池组的SOC就是i,节就是能够充满的时候,如果相等的时候电池组的容量等于组内容量最小的i只电池的容量。如果这两个不是一样的电池,如果有一个电池先充满或者是先放光,这样我总体电池的容量比最小这只电池的容量还要小。这我们做的整组电池的SOC的定义方法。

i和j如果不相等的话会出现一个很麻烦的情况,有些电池尽管容量比较小,但是处在SOC的高端,有些电池比较大处在SOC的低端,这样整个电池容量会有一个新的计算办法。

电池的一致性的定价体系,我们以前所有的均衡方法不管是提出电容、电感或者是其他电阻的均衡方法,实际上都是基于电压的这种经横方法,事实上当磷酸铁锂出现以后这种对于锰酸锂来说也有一个问题,我们单体电池的差异是在SOC高的时候或者是低的时候可能会出现一个比较明显的差异,或者是9%或者是10%的时候有一个明显的差异,SOC的差异表现出了电压的差异。我们通过电压对于电池进行均衡的话,只有在这个时候我们才明确知道哪个电池该进行均衡,这样我不得不在勇比较大的均衡器进行均衡,因为我时间很短已经到9%或者是10%,所以这个时候才启动均衡器。车上的空间比较小,装这种东西是非常麻烦的一件事情,可能也没有地方安装。

现在在SOC出台以后这种情况更严重了,因为更难分清楚在什么情况下什么容易平衡。目前我们也在做一些储能的研究工作,整个系统应该是怎么样的的在储能里我的电池放在那里,可能放在没有人烟的地方可能几年不去用它,均衡的问题必须要考虑进来。现在我们说我们到底用什么样的办法来进行均衡,所以我们提出了这个应该是均衡哪一只电池,应该对哪一只电池进行充电或者是放电,这是我们研究电池组的一个基础。

我们看一下均衡的一些主要的问题,一致性随着工况和SOC的变化而变化,表现出不稳定性。有时均衡对于电池组容量的增加效果不明显,成组电池的循环寿命仍低于单只电池,均衡器的容量体积成本随着容量的增加而增加,不适合大容量的电池。

我们看一下基本的原理一个是电池的外压的差异主要是来源于直流内阻、极化电压、容量和SOC等过方面,直流内阻、极化电压和容量等差异不能通过均衡得到改善,你所能改变的就是SOC,由于每只电池的SOC不一样,你可以来改变SOC的状态,这三个差异是不能改变的。所以我们原来用电压的系统,电压和SOC之间的非线性关系导致了一致性判断的不稳定,并使均衡器的稳定没有得到充分的利用。我们基于电流的直流内阻、极化电压、容量和SOC对电池的性能作综合的评价。

我们以前做了一个数据,我们看一下这一共是8只电池,这是他们充电时表现出的外电压的特性,这是原始的一个曲线,这个电池用了大概经过100次的循环以后的电池,我们把这个直流内阻去掉,再看一下这个曲线?我们再把这个极化电压再去掉,这又是一条曲线,然后我们再把两个差异最大的两个电池可以看出差别非常大,我们现在把容量和初始的SOC修正后,我们看一下这两个曲线已经基本上重合了,如果把这个容量和初始的SOC考虑进去的话这两个是一样的。从前面的图如果这个点对它进行均衡的话,对于低电压的技术充电的话完全得出一个错误的结果,从后面的实际结果来说两个特性是一样的,一点区别都没有。这也是我们在这个基础上,把滞留那一组单体的容量、单体的SOC能够得到以后我们可以做成一个评价体系,针对这个评价体系可以设计这个均衡器,因为我们无时无刻不在均衡,我知道每只电池到底处于什么样的状态。

现在在一致性的基础上我们做的均衡的依据,一个是从容量的角度而言,电池的容量小于或者是等于组内容量最小的电池,电池组是否需要均衡的判断依据是电池组内两最小的电池容量能够得到充分的利用,这个即就是容量最小的电池能够首先充满电或者是放完电。

【现场提问】我有一个问题是这样的,管理系统里面我们知道要对电池或者是单体电池SOC进行判断,我们之前用一些工作电压对它进行检测,现在很多的都是用磷酸铁锂材料的,他们的工作电压是不同的,不知道您现在是什么样的判断?

【姜久春】我跟几个磷酸铁锂的厂家有过沟通,在目前来说如果是纯动力的问题我们是有办法解决的,在混合动力到现在为止没有想出办法解决这个问题。但是我们可以设想一种办法,比如说我把这个混合动力控制在30—80%之间,我只盯住这两点,其他的我不管了,这个可能是我们现在能够想到而且在做的工作,但是纯电动我们是有办法解决的,因为我充电是可控的,所以我想解决这个问题是比较容易的事情。包括我们镍氢做HEV的情况下,我们最后一道防线也是这样的,我前面都用模拟的电池没有问题的,如果出了问题最后的防线是靠30—80%之间。

【现场提问】一般来说BMS系统是用电的吗?

【姜久春】肯定是要用电的。

【现场提问】如果用在汽车一般用12—20V电是可以用的,如果您用在储能系统上可能这个电池组一年半年的工作,随时都要监测他的状态,这个怎么办?

【姜久春】我们通信基站和充电基站的话,这个储能系统我的电源是从电网来的电这个不存在问题。在边远山区的太阳能的独立供应系统比如通信基站,他白天就有太阳,我是靠这个电池的,这个电池一直是工作在充电、放电过程之中的。肯定会有一些电阻的装置来完成的。

【现场提问】姜教授您好!我想请问一下您后面提到的均衡的时候是时刻在均衡,但是电池里面你时刻均衡的时候这里面产生一个温升,这个问题您怎么解决的?

【姜久春】是这样的,这是我们为什么原来在BOX里面不会装均衡系统,一个是受体积的限制,另外一个受温度的限制,不管你是用电阻放电的方法还是用ECDE的方法都会产生一些热量的。但是因为现在这个问题是可以得到解决的,比如原来你用120AH的电池,你大概要用10安培,但是我大概只需要1安培,这个问题就很容易可以解决掉了,所以用我们这种现在的判断方法可以大幅度地减小这个均衡的功率。

【现场提问】功率可以解决,但是在有限的体制里面这部分的问题还是存在的。

【姜久春】是这样的。

【现场提问】因为我也做过这方面的一些实验,发现一般的温升在里面一般要求在60度左右,可能在直线条件下都会有20度左右,这样1安产生的跟10安产生的温升也是很大的。

【姜久春】你是指在累积的过程中。