北京交通大學、電氣工程學院姜久春教授在第四屆華南鋰電(國際)高層技術論壇上演講的文字實錄：
【主持人：鄧中一】下一位演講者是北京交通大學、電氣工程學院姜久春教授、副院長，前面談到了很多的材料、電池，我們現在要講電池管理系統。
【姜久春】各位專家，前面這些專家講的都是從材料到Cell，我講的是Cell到整個車上應用的情況，我是從應用角度講的這個理解，希望能夠和大家一起來分享。北京交通大學從97年開始做電動車的研究工作，從03年開始做了電池管理方面的一些工作，現在在國內電池管理大約是裝車數量最多的，我們同時也設計了奧運會的充電站，我們現在負責上海世博會的充電站的建設工作，這我們學校的簡單情況。
我的報告分成四個部分，一個是電池管理技術的現狀，第二個是串聯電池組充電模式，第三是成組電池的SOC定義方法，第四是電池組的一致性的評價體系。
在座的大家可能都很清楚目前的安全性和長上明是鋰離子電池在推廣上的主要的障礙，我主要講一下這個成組電池的長壽命，其他的專家都講了Cell循環的壽命的問題，事實上我們現在從目前國內的情況來看，當你把電池十幾支或者是一百多支串起來使用之后，你就算單體做到2千次的話，實際上這個壽命絕對做不到800次，這個問題實際上比單體的壽命問題更嚴峻的問題了，我們原來最初最初只能夠成組做到單體的1/3，現在能夠做到2/3還要多一些。
另外一個方面是電池管理相關的技術現狀，有些基本的問題需要解決，我們經過這么長時間的研究工作也有一些想法。我們來看一下車輛對這個有什么樣的要求，一個是寬工作的溫度范圍高倍率的充電擺放集中，主要的問題是高溫下充放電的性能和低溫下充放電的性能和散熱條件的問題。另外一個是大量成組充分利用電池的容量，這個主要的問題是一致性的問題，充放電過程中的電池過電壓。這個問題其實是比較嚴重的，我們實際上在純電動來運用的話盡可能利用成組電池的容量，事實上由于一致性的問題我們現在如果是單體電池可以做到100%的DOD，我們可以充電充到100%的SOC，有時候可以放到0%。我們成組以后充電之后只能夠充到95%的SOC，這已經算是做得很不錯的事情了，我100個電池串在一起充電的話大概可以做到95%充電，放電的時候用到整個的20%。這樣的話實際上在我們充放電的過程中要維持安全性，保證單體電池不過充過放的化是整個電池的利用率下降，如果要提高利用率的話就要注意過充或者過放的現象。
另外一個長壽命的問題，電池經過一段使用之后電池的容量在下降，電池的內阻在增加。現在國內做電池管理這一塊，電池管理的職責基本上很清楚了，一個是有效地監控電池的狀態優化使用電池的能量，延長電池的壽命。電池的管理系統從現在來看主要是和外部的設備和充電機和ECU鏈接的問題，他們的連接電池管理系統是和ECU等等這些提供信息的，從我的理解來看，電池管理現在的情況一個是外部參數的檢測、狀態的估算、一致性評價數據分析、報警功能、對外通信的功能，主要的問題是他的性能不夠強大。從我們對純電動這一塊來理解，我們認為電池管理就提供一個數據，當前情況下你以什么樣的電壓來充電或者是怎么樣來放電，只要你告訴ECO和另外一個參數，這樣對整個電池的管理功能就完成了，包括其他的功能報警的功能是另外的一個其他的功能。
性能不足的原因有幾個方面，一個是電池性能的復雜性，這個涉及到電話學、涉及到電器、涉及到電子方面的東西，這些中間的參數是相互影響的，有很強的非線性的關系，還有我們造的電池的一致性，不僅僅是制造的一致性，使用過程的不一致也會對整個電池管理的性能也會帶來很大的影響。
第二個方面是電池生產廠家還有BMS生產者或者是研制者還有充電機、電機控制器的研制者之間相對是獨立的，沒有組成一個很深入地配合。這樣的話每個制造商他只是從某一方面來強調這一件事，比如電池生產廠家他就強調我提高CELL的性能，從BMS這一塊，對于BMS研究者或者是制造商來說，對于我來說只要能夠測量得到的是電池、電阻的外部參數，如果深入內部去研究一個電池的特性的話對我來說非常難的一件事情。從充電機和電機控制系數這一塊主要是考慮提高我設備的穩定性來考慮的。
所以到現在為止，實際上在國內在使用過程當中一個是我們的這種使用電池組的基于電池的外特性，另外一個是把整組電池看成是單只電池的串聯，整個電池組看成單體電池的串聯看成一個大電池，只不過把他從3.2或者是3.7V擴大到300多V而已。還有一些是在原來的鉛酸電池的基礎上用這個電池組，還有一個是原來用的包括手機電池、包括筆記本電池的一些管理方法、管理概念，實際上到了動力電池上完全不是同樣的東西，不能夠把那些知識移過來，我們也做過一些包括國際上的大公司做過一些筆記本電池的研發工作。
這是串聯電池組的充電方法，這是一些研究工作，現在我們的研究重點主要是想提高充電性能和充電效率，我剛才說了對于我們串聯的電池組，我們充電的時候大概只能夠把它充到95%，現在放電的時候用到20%，現在我們用了一種新的方法，我們把現在在運行的車可以把95%提高2%，提高到97%，這樣實際上我多利用了2%的能量。我們這個研究主要是基于對于單體電池來說我們可能對每只電池每個Cell來說我們要對他的電池的狀態進行監測的時候，我們會測出來他實際的內部電壓，不讓他極化、控制這種極化電壓整組的充電的效率和充電的方法。其實這個和氰酸電池的充電有一點像，但是我們一直沒有完整整理出一套體系來，但是實驗是正在進行中。
現在用這種方法，一個是在充電過程中的管理系統依據當前的充電狀態和電池的使用方法得到電池最大的允許充電流，這樣充電過程當中充電機依靠管理系統提供最大的允許充電電流，控制的依據是使他的極化電壓控制在一定的范圍之內，我們可以得到一個比較好的充電方法可以提高整組電池的使用效率。這是現在在做的充電模式。
還有整組電池的SOC定義，我們原來的SOC定義是基于單只的單個Cell的定義的方法，我們在用電池組的過程當中我們發現這種方法存在一些問題，包括用容量的概念也是有一些問題的，所以我們一直在做SOC這方面的研究，到底整組電池是怎么定義的。SOC定義有兩個問題，一個是沒有考慮電池的差異性，串聯之后不僅生產出現差異，還有使用過程當中SOC也會有差異，這樣的話實際上原來的SOC根本不適合整組電池的定義方法，SOC的含義變得模糊起來了，不能有效地被使用。這是單只電池大家公認的SOC的定義辦法。對于成組電池可能通過分析會得出這樣的一個結論，電池組的容量和組內所有單只電池的容量及SOC密切相關，這個提到了每一個單只電池的容量，我們要知道每一個電池的SOC是什么樣的情況，知道每個電池的實際容量是什么情況，所以電池組的容量所有單組電池的容量和SOC是有關的，你可以得到實際的我們這一組電池的容量是什么樣的狀況。i是電池組最早能夠充滿電池組的SOC就是i，節就是能夠充滿的時候，如果相等的時候電池組的容量等于組內容量最小的i只電池的容量。如果這兩個不是一樣的電池，如果有一個電池先充滿或者是先放光，這樣我總體電池的容量比最小這只電池的容量還要小。這我們做的整組電池的SOC的定義方法。
i和j如果不相等的話會出現一個很麻煩的情況，有些電池盡管容量比較小，但是處在SOC的高端，有些電池比較大處在SOC的低端，這樣整個電池容量會有一個新的計算辦法。
電池的一致性的定價體系，我們以前所有的均衡方法不管是提出電容、電感或者是其他電阻的均衡方法，實際上都是基于電壓的這種經橫方法，事實上當磷酸鐵鋰出現以后這種對于錳酸鋰來說也有一個問題，我們單體電池的差異是在SOC高的時候或者是低的時候可能會出現一個比較明顯的差異，或者是9%或者是10%的時候有一個明顯的差異，SOC的差異表現出了電壓的差異。我們通過電壓對于電池進行均衡的話，只有在這個時候我們才明確知道哪個電池該進行均衡，這樣我不得不在勇比較大的均衡器進行均衡，因為我時間很短已經到9%或者是10%，所以這個時候才啟動均衡器。車上的空間比較小，裝這種東西是非常麻煩的一件事情，可能也沒有地方安裝。
現在在SOC出臺以后這種情況更嚴重了，因為更難分清楚在什么情況下什么容易平衡。目前我們也在做一些儲能的研究工作，整個系統應該是怎么樣的的在儲能里我的電池放在那里，可能放在沒有人煙的地方可能幾年不去用它，均衡的問題必須要考慮進來。現在我們說我們到底用什么樣的辦法來進行均衡，所以我們提出了這個應該是均衡哪一只電池，應該對哪一只電池進行充電或者是放電，這是我們研究電池組的一個基礎。
我們看一下均衡的一些主要的問題，一致性隨著工況和SOC的變化而變化，表現出不穩定性。有時均衡對于電池組容量的增加效果不明顯，成組電池的循環壽命仍低于單只電池，均衡器的容量體積成本隨著容量的增加而增加，不適合大容量的電池。
我們看一下基本的原理一個是電池的外壓的差異主要是來源于直流內阻、極化電壓、容量和SOC等過方面，直流內阻、極化電壓和容量等差異不能通過均衡得到改善，你所能改變的就是SOC，由于每只電池的SOC不一樣，你可以來改變SOC的狀態，這三個差異是不能改變的。所以我們原來用電壓的系統，電壓和SOC之間的非線性關系導致了一致性判斷的不穩定，并使均衡器的穩定沒有得到充分的利用。我們基于電流的直流內阻、極化電壓、容量和SOC對電池的性能作綜合的評價。
我們以前做了一個數據，我們看一下這一共是8只電池，這是他們充電時表現出的外電壓的特性，這是原始的一個曲線，這個電池用了大概經過100次的循環以后的電池，我們把這個直流內阻去掉，再看一下這個曲線？我們再把這個極化電壓再去掉，這又是一條曲線，然后我們再把兩個差異最大的兩個電池可以看出差別非常大，我們現在把容量和初始的SOC修正后，我們看一下這兩個曲線已經基本上重合了，如果把這個容量和初始的SOC考慮進去的話這兩個是一樣的。從前面的圖如果這個點對它進行均衡的話，對于低電壓的技術充電的話完全得出一個錯誤的結果，從后面的實際結果來說兩個特性是一樣的，一點區別都沒有。這也是我們在這個基礎上，把滯留那一組單體的容量、單體的SOC能夠得到以后我們可以做成一個評價體系，針對這個評價體系可以設計這個均衡器，因為我們無時無刻不在均衡，我知道每只電池到底處于什么樣的狀態。
現在在一致性的基礎上我們做的均衡的依據，一個是從容量的角度而言，電池的容量小于或者是等于組內容量最小的電池，電池組是否需要均衡的判斷依據是電池組內兩最小的電池容量能夠得到充分的利用，這個即就是容量最小的電池能夠首先充滿電或者是放完電。
【現場提問】我有一個問題是這樣的，管理系統里面我們知道要對電池或者是單體電池SOC進行判斷，我們之前用一些工作電壓對它進行檢測，現在很多的都是用磷酸鐵鋰材料的，他們的工作電壓是不同的，不知道您現在是什么樣的判斷？
【姜久春】我跟幾個磷酸鐵鋰的廠家有過溝通，在目前來說如果是純動力的問題我們是有辦法解決的，在混合動力到現在為止沒有想出辦法解決這個問題。但是我們可以設想一種辦法，比如說我把這個混合動力控制在30—80%之間，我只盯住這兩點，其他的我不管了，這個可能是我們現在能夠想到而且在做的工作，但是純電動我們是有辦法解決的，因為我充電是可控的，所以我想解決這個問題是比較容易的事情。包括我們鎳氫做HEV的情況下，我們最后一道防線也是這樣的，我前面都用模擬的電池沒有問題的，如果出了問題最后的防線是靠30—80%之間。
【現場提問】一般來說BMS系統是用電的嗎？
【姜久春】肯定是要用電的。
【現場提問】如果用在汽車一般用12—20V電是可以用的，如果您用在儲能系統上可能這個電池組一年半年的工作，隨時都要監測他的狀態，這個怎么辦？
【姜久春】我們通信基站和充電基站的話，這個儲能系統我的電源是從電網來的電這個不存在問題。在邊遠山區的太陽能的獨立供應系統比如通信基站，他白天就有太陽，我是靠這個電池的，這個電池一直是工作在充電、放電過程之中的。肯定會有一些電阻的裝置來完成的。
【現場提問】姜教授您好！我想請問一下您后面提到的均衡的時候是時刻在均衡，但是電池里面你時刻均衡的時候這里面產生一個溫升，這個問題您怎么解決的？
【姜久春】是這樣的，這是我們為什么原來在BOX里面不會裝均衡系統，一個是受體積的限制，另外一個受溫度的限制，不管你是用電阻放電的方法還是用ECDE的方法都會產生一些熱量的。但是因為現在這個問題是可以得到解決的，比如原來你用120AH的電池，你大概要用10安培，但是我大概只需要1安培，這個問題就很容易可以解決掉了，所以用我們這種現在的判斷方法可以大幅度地減小這個均衡的功率。
【現場提問】功率可以解決，但是在有限的體制里面這部分的問題還是存在的。
【姜久春】是這樣的。
【現場提問】因為我也做過這方面的一些實驗，發現一般的溫升在里面一般要求在60度左右，可能在直線條件下都會有20度左右，這樣1安產生的跟10安產生的溫升也是很大的。
【姜久春】你是指在累積的過程中。
（編輯：全球電池網）
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