鋰電池系統(tǒng)技術(shù)瓶頸及安全性保障分析

電池管理系統(tǒng)(BMS)作為實(shí)時監(jiān)控、自動均衡、智能充放電的電子部件，起到保障安全、延長壽命、估算剩余電量等重要功能，通過一系列的管理和控制，保障電動汽車的正常運(yùn)行。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2013年全球電池管理系統(tǒng)市場產(chǎn)值成長逾10%，2014年至2016年成長幅度將大幅躍升至25-35%。到2020年前，電動汽車將保持約15%~30%的年復(fù)合增長率，除了純電動汽車、插電式混合動力汽車和混合動力汽車的數(shù)量增長之外，新型的48V輕度混合動力系統(tǒng)也將顯著促進(jìn)增長。鑒于此，電子發(fā)燒友采訪了美國力特公司(Littelfuse)中國區(qū)銷售總監(jiān)查勇。

力特公司中國區(qū)銷售總監(jiān)查勇表示，要使電池工作在可靠和安全的狀態(tài)，就必須管理電池的充、放電狀態(tài)，及監(jiān)管電池的安全工作電壓，目前大多采用的是主動均衡和被動均衡技術(shù)。

針對當(dāng)前市場，力特公司中國區(qū)銷售總監(jiān)查勇談到，當(dāng)前基于低或零排放而改善空氣質(zhì)量的需求，對汽車提出更高的效率要求，隨著整個汽車中電負(fù)載的增加(如汽車動力的提升、多媒體用電等)，要求高電壓供電以及更強(qiáng)大的供電系統(tǒng)。

目前電動汽車/混合動力汽車架構(gòu)主要有四類：一是HEV(Hybrid)，油、電混合動力，電池靠發(fā)動機(jī)充電;二是PEV(Plug-in)，油、電混合，電池需外部充電;三是BEV( Battery Electric Vehicle)，純電池供電;四是化學(xué)燃料電池供電。查勇表示，當(dāng)前油、電混合動力汽車占有的市場比例比較大，后期會慢慢往純電動轉(zhuǎn)型。

那么，鋰離子電池有哪些優(yōu)勢?

我們知道，電動汽車的供電系統(tǒng)是由若干個鋰離子電池組成的。

從上圖可以看到，鋰電池組是由一個個電池單元組成，每一個電池組大約有500~7000個單元，這對電池的管理與控制提出了更高的要求。

鋰電池技術(shù)將是任何類型電動汽車的基礎(chǔ)。查勇表示，目前還在不斷改進(jìn)之中，未來將提供所需的最佳成本及功能性，對于成本在未來幾年里預(yù)計(jì)將降低四分之一到三分之一，而能量密度具有相同的增長幅度。在上圖中，鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池的比較表，可以看到鋰離子電池在功率密度和充電循環(huán)壽命上的優(yōu)勢是其它無法替代的。

鋰電池系統(tǒng)存在哪些技術(shù)瓶頸?

對于鋰離子電池技術(shù)方面，還有很多地方需要進(jìn)一步完善，查勇談到主要有三點(diǎn)：

其一，充放電狀態(tài)。當(dāng)充放電狀態(tài)在一定范圍內(nèi)時電池才能安全可靠地運(yùn)行，高放電和過充電會降低鋰離子電池的效率和壽命，理想的荷電狀態(tài)為最大充電量的20%至90%左右;

其二，安全電池工作電壓。保持電池電壓在最低2 V和最高4.2 V之間，過高的電池電壓會導(dǎo)致過多的電流流動，在最壞的情況下，短路會破壞電池;

其三，熱管理。溫度控制尤為重要，因?yàn)檫^高的溫度可能會在負(fù)極過程中導(dǎo)致一種聯(lián)鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致因可能的電極短路以及可燃?xì)怏w從有機(jī)溶劑(電解液)中除氣而發(fā)生危險情況。

要使電池工作在可靠和安全的狀態(tài)，就必須管理電池的充、放電狀態(tài)，及監(jiān)管電池的安全工作電壓，目前大多采用的是主動均衡和被動均衡技術(shù)。查勇補(bǔ)充到，對于保護(hù)器件保險絲而言，小體積，高電壓仍是一個技術(shù)難點(diǎn)。

安全性方面該如何把控?

鋰離子電池需要通過電池管理系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，對電池管理系統(tǒng)本身進(jìn)行保護(hù)是保證這一重要的系統(tǒng)在所有情況下(組裝、保養(yǎng)、正常操作)安全可靠。

在短路情況下，會在電力線上引起強(qiáng)大的電流。查勇表示，針對這樣的情況，推薦使用具有較高分?jǐn)嗄芰Φ谋ｋU絲的合適的熔斷技術(shù)，如力特公司的0HEV系列。電池管理系統(tǒng)通常通過高阻抗感應(yīng)線連接，因此短路電流會顯著降低，允許使用電子保險絲，電當(dāng)然壓高低要求取決于電池結(jié)構(gòu)。

針對電池保護(hù)，力特保險絲和TVS二極管保護(hù)具有很大的優(yōu)勢：

1) 作為全球保護(hù)器件的領(lǐng)導(dǎo)者，力特提供全系列的保護(hù)器件，包括Fuse、PPTC TVS Diode、TVS Diode Array，同時提供不同的保護(hù)方案;

2) 所有器件滿足AEC-Q101和AEC-Q200汽車認(rèn)證;

3) LAB 能針對客戶提供多樣的測試需求。

查勇指出，隨著越來越多的汽車應(yīng)用(如電池傳感器線路保護(hù))依賴電子保險絲，在目前汽車中使用的電子保險絲沒有定義官方標(biāo)準(zhǔn)的情況下，力特根據(jù) AEC-Q200 準(zhǔn)則制定了一項(xiàng)測試計(jì)劃，對保險絲在汽車應(yīng)用的適用性和可靠性進(jìn)行測試，這項(xiàng)測試計(jì)劃包含18項(xiàng)測試。

例如1000小時高溫高濕測試、1000循環(huán)溫度沖擊測試、特殊機(jī)械沖擊及振動測試等，所用的樣本量也有更加嚴(yán)格的要求。“只是一次測試做到了還不夠，如何保證每批貨都通過這個測試?整個質(zhì)量控制體系才能保證高品質(zhì)的一致性和持續(xù)性，這是某些廠商所不具備的，需要特別注意。”

另外，力特不斷在汽車應(yīng)用電子保險絲的合格范圍內(nèi)提供更多的產(chǎn)品。對于直流濾波電容和IGBT的保護(hù)，過去使用的是齊納二極管，但是它們無法提供與 TVS 二極管相同的優(yōu)勢，如快速響應(yīng)、更高的浪涌能力和更高的可靠性。

比如，車載充電器通過CAN 總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，在密集的汽車環(huán)境中，CAN 線路會遭受ESD或其他汽車系統(tǒng)通過耦合或傳導(dǎo)而引起的其他瞬變所導(dǎo)致的過電壓應(yīng)力。對此，查勇表示，針對CAN總線開發(fā)出了專用的保護(hù)器件，SM24CANA和SM24CANB. 其不僅具有ESD能力，還有一定的抗浪涌能力，同樣也滿足AEC-Q101汽車認(rèn)證。[!--empirenews.page--]

不難發(fā)現(xiàn)，鋰電池系統(tǒng)是由若干單節(jié)電池組成的，架構(gòu)都比較復(fù)雜，是整個系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵所在，也極易受到靜電、開關(guān)功率負(fù)載、感應(yīng)浪涌、過負(fù)載、短路等過電流和過電壓得威脅，因此精心選擇和正確放置保護(hù)元器件進(jìn)行過電壓和短路保護(hù)尤為重要。

最后，查勇表示，大力發(fā)展新能源汽車已成為各國共識，世界主要國家如美國、中國、日本、德國、韓國、英國等都紛紛建立了自己宏偉的新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。新能源汽車的安全性問題，一直是汽車產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)工作之一，在展望新能源汽車快速發(fā)展的同時，我們須認(rèn)識到，穩(wěn)定、高效、安全、可靠的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，是保障電動汽車的正常運(yùn)行的關(guān)鍵，只有這樣新能源汽車才能擁有可持續(xù)發(fā)展的未來。