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(shí)監(jiān)控、自動(dòng)均衡、智能充放電的電子部件，起到保障安全、延長(zhǎng)壽命、估算剩余電量等重要功能，通過(guò)一系列的管理和控制，保障電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)產(chǎn)值成長(zhǎng)逾10%，2014年至2016年成長(zhǎng)幅度將大幅躍升至25-35%。到2020年前，電動(dòng)汽車(chē)將保持約15%~30%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，除了純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的數(shù)量增長(zhǎng)之外，新型的48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)也將顯著促進(jìn)增長(zhǎng)。鑒于此，電子發(fā)燒友采訪了美國(guó)力特公司(Littelfuse)中國(guó)區(qū)銷(xiāo)售總監(jiān)查勇。

力特公司中國(guó)區(qū)銷(xiāo)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(dòng)均衡和被動(dòng)均衡技術(shù)。

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)，力特公司中國(guó)區(qū)銷(xiāo)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(duì)汽車(chē)提出更高的效率要求，隨著整個(gè)汽車(chē)中電負(fù)載的增加(如汽車(chē)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)架構(gòu)主要有四類：一是HEV(Hybrid)，油、電混合動(dòng)力，電池靠發(fā)動(dòng)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(dòng)力汽車(chē)占有的市場(chǎng)比例比較大，后期會(huì)慢慢往純電動(dòng)轉(zhuǎn)型。

那么，鋰離子電池有哪些優(yōu)勢(shì)?

我們知道，電動(dòng)汽車(chē)的供電系統(tǒng)是由若干個(gè)鋰離子電池組成的。

從上圖可以看到，鋰電池組是由一個(gè)個(gè)電池單元組成，每一個(gè)電池組大約有500~7000個(gè)單元，這對(duì)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(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)。查勇表示，目前還在不斷改進(jìn)之中，未來(lái)將提供所需的最佳成本及功能性，對(duì)于成本在未來(lái)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(zhǎng)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(shì)是其它無(wú)法替代的。

鋰電池系統(tǒng)存在哪些技術(shù)瓶頸?

對(duì)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(shí)電池才能安全可靠地運(yùn)行，高放電和過(guò)充電會(huì)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(guò)高的電池電壓會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的電流流動(dòng)，在最壞的情況下，短路會(huì)破壞電池;

其三，熱管理。溫度控制尤為重要，因?yàn)檫^(guò)高的溫度可能會(huì)在負(fù)極過(guò)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(xiǎn)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(dòng)均衡和被動(dòng)均衡技術(shù)。查勇補(bǔ)充到，對(duì)于保護(hù)器件保險(xiǎn)絲而言，小體積，高電壓仍是一個(gè)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(guò)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，對(duì)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(huì)在電力線上引起強(qiáng)大的電流。查勇表示，針對(duì)這樣的情況，推薦使用具有較高分?jǐn)嗄芰Φ谋ｋU(xiǎn)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(guò)高阻抗感應(yīng)線連接，因此短路電流會(huì)顯著降低，允許使用電子保險(xiǎn)絲，電當(dāng)然壓高低要求取決于電池結(jié)構(gòu)。

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

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(shí)提供不同的保護(hù)方案;

2) 所有器件滿足AEC-Q101和AEC-Q200汽車(chē)認(rèn)證;

3) LAB 能針對(duì)客戶提供多樣的測(cè)試需求。

查勇指出，隨著越來(lái)越多的汽車(chē)應(yīng)用(如電池傳感器線路保護(hù))依賴電子保險(xiǎn)絲，在目前汽車(chē)中使用的電子保險(xiǎn)絲沒(méi)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(cè)試計(jì)劃，對(duì)保險(xiǎn)絲在汽車(chē)應(yīng)用的適用性和可靠性進(jìn)行測(cè)試，這項(xiàng)測(cè)試計(jì)劃包含18項(xiàng)測(cè)試。

例如1000小時(shí)高溫高濕測(cè)試、1000循環(huán)溫度沖擊測(cè)試、特殊機(jī)械沖擊及振動(dòng)測(cè)試等，所用的樣本量也有更加嚴(yán)格的要求。“只是一次測(cè)試做到了還不夠，如何保證每批貨都通過(guò)這個(gè)測(cè)試?整個(gè)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(chē)應(yīng)用電子保險(xiǎn)絲的合格范圍內(nèi)提供更多的產(chǎn)品。對(duì)于直流濾波電容和IGBT的保護(hù)，過(guò)去使用的是齊納二極管，但是它們無(wú)法提供與 TVS 二極管相同的優(yōu)勢(shì)，如快速響應(yīng)、更高的浪涌能力和更高的可靠性。

比如，車(chē)載充電器通過(guò)CAN 總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，在密集的汽車(chē)環(huán)境中，CAN 線路會(huì)遭受ESD或其他汽車(chē)系統(tǒng)通過(guò)耦合或傳導(dǎo)而引起的其他瞬變所導(dǎo)致的過(guò)電壓應(yīng)力。對(duì)此，查勇表示，針對(duì)CAN總線開(kāi)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(chē)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(gè)系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵所在，也極易受到靜電、開(kāi)關(guān)功率負(fù)載、感應(yīng)浪涌、過(guò)負(fù)載、短路等過(guò)電流和過(guò)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(guò)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(chē)已成為各國(guó)共識(shí)，世界主要國(guó)家如美國(guó)、中國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)等都紛紛建立了自己宏偉的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。新能源汽車(chē)的安全性問(wèn)題，一直是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)工作之一，在展望新能源汽車(chē)快速發(fā)展的同時(shí)，我們須認(rèn)識(shí)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(dòng)汽車(chē)的正常運(yùn)行的關(guān)鍵，只有這樣新能源汽車(chē)才能擁有可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。