電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池容量大、串并聯(lián)節數多，系統復雜，加之安全性、耐久性、動(dòng)力性等性能要求高、實(shí)現難度大，因此成為影響電動(dòng)汽車(chē)推廣普及的瓶頸。鋰離子電池安全工作區域受到溫度、電壓窗口限制，超過(guò)該窗口的范圍，電池性能就會(huì )加速衰減，甚至發(fā)生安全問(wèn)題。
 
為解決電池組串并聯(lián)中遇到的一系列痛點(diǎn)問(wèn)題，我和我的團隊正在進(jìn)行電池組BMS動(dòng)態(tài)串聯(lián)管理技術(shù)的研發(fā)，該技術(shù)與行業(yè)內當前普遍應用的BMS技術(shù)有很大的區別，主要有以下六點(diǎn)：

 
與市場(chǎng)上的BMS相比，采用動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)實(shí)現的產(chǎn)品可以具有15項優(yōu)勢，最主要的優(yōu)勢在于它的高安全性和高可靠性。它的技術(shù)優(yōu)勢主要表現在這些方面：
（1）允許單體電池失效：?jiǎn)误w電池失效不影響電池組（或電池簇）功能，失效電池模塊會(huì )被隔離出電池組系統，單體電池失效時(shí)電池組只損失少量電量，損失的電量小于5%（只損失容量，不影響輸出電壓和輸出功率），可靠性很高。行業(yè)內的電池組一旦發(fā)生單體電池失效時(shí)，整個(gè)電池組（或電池簇）就會(huì )無(wú)法使用，可靠性較低。
（2）對電池一致性要求降低：對單體電池分容配組很容易實(shí)現，電池模塊允許容量不一致和荷電狀態(tài)不一致，并允許新電池模塊在線(xiàn)插入到舊電池組系統中使用，維護方便。行業(yè)內的電池組對電池一致性要求很高，分容配組后的剩余電芯利用率低，無(wú)形中會(huì )提高成本，并且不具備電池模塊在線(xiàn)更換功能。
（3）最大程度利用每個(gè)單體電池的儲電量：動(dòng)態(tài)管理功能可以自動(dòng)彌補不同電池模塊之間的容量差異，使每個(gè)電池模塊在放電時(shí)都可以完全釋放全部電量，而在充電時(shí)則可以保證每個(gè)電池模塊都能完全充滿(mǎn)，其均衡控制方式由于沒(méi)有損耗，優(yōu)于市場(chǎng)上的主動(dòng)均衡。行業(yè)內的電池組的儲電量存在短板效應，受限于儲電最少的單體電池或電池模塊，而無(wú)法完全利用所有電池的儲電能力。
（4）電池組輸出電壓穩定：由于電池組的串聯(lián)節數動(dòng)態(tài)變化，會(huì )隨著(zhù)單體電池電壓不同而改變串聯(lián)節數，電池組輸出電壓平臺變化范圍小，輸出穩定，并可以通過(guò)軟件設置來(lái)改變輸出電壓平臺，實(shí)現輸出電壓按需求輸出。行業(yè)內的電池組（或電池簇）則是固定串聯(lián)節數，充滿(mǎn)時(shí)電壓高，而在電池組電量低時(shí)電壓低，輸出電壓變化幅度很大。


（5）具有多級獨立保護功能：電池模塊具有二級以上的獨立保護功能，整個(gè)電池組（或電池簇）具有四級以上的獨立保護功能，大大的增加了系統的可靠性。行業(yè)內的高壓電池組，對電池模塊不具有保護功能，只能在電池組（或電池簇）實(shí)現保護。
（6）充電電壓范圍允許非常寬：甚至可以低于電池組標稱(chēng)電壓來(lái)充電，并實(shí)現高效率充電均衡，充電電源不需要精確穩壓，也不需要限流功能，簡(jiǎn)化了充電電源。行業(yè)內的電池組由于固定串聯(lián)節數，充電電壓是固定值，適配器需要精確的輸出電壓控制，并需要有限流功能，在鐵鋰電池應用時(shí)還需要針對均充和浮充設置不同電壓。
（7）高效率實(shí)現光伏輸入最大功率跟蹤：當輸入電源為光伏發(fā)電時(shí)，無(wú)需光伏控制器來(lái)進(jìn)行電壓轉換，提高了光伏發(fā)電利用率，并可以通過(guò)調整電池串聯(lián)數來(lái)輕松實(shí)現光伏輸入最大功率跟蹤。行業(yè)內的電池組需要光伏控制器來(lái)進(jìn)行電壓轉換，增加了光伏控制器成本，光伏控制器會(huì )有轉換效率上的功能損耗，降低了太陽(yáng)能利用率并增加了溫升。
（8）電源在線(xiàn)可以實(shí)現電池組放電：電池組在后備態(tài)應用的任何時(shí)候都可以進(jìn)行阻抗跟蹤測量，即使在充電電源在線(xiàn)的備電浮充狀態(tài)也可以使電池組進(jìn)行放電，以測試電池組健康狀態(tài)（注：電池組可以通過(guò)調整串聯(lián)工作的模塊數量使電池組的輸出電壓高于充電電源電壓來(lái)對負載進(jìn)行放電，例如電源為250V，電池組輸出263V電壓。）。行業(yè)內的電池組由于采用固定串聯(lián)節數，電池組電壓小等于充電電源電壓，在充電電源長(cháng)期在線(xiàn)浮充狀態(tài)時(shí)，難以對電池組進(jìn)行健康狀態(tài)測量，使維護成本增加。
（9）分布式電量計算：電池組的SOC和SOH計算為分布式電量計量，并可以帶有電流補償、溫度補償及阻抗跟蹤計算，不會(huì )因為某個(gè)單體電池問(wèn)題產(chǎn)生瞬間容量大跳變，SOC精確度可以?xún)?yōu)于3%。行業(yè)內電池組SOC計算方式為集中式電量計算，當電池組中某個(gè)單體電池劣化時(shí)，單體電池的狀態(tài)直接影響到整個(gè)電池組電量，使電量誤差增大或瞬間突變，電量計量精度差。
（10）電池模塊允許熱插撥：系統無(wú)需斷電可以插入或撥出電池模塊，模塊熱插撥不影響電池組正常功能，允許不同電壓、不同容量以及不同荷電狀態(tài)的電池模塊接入系統，可以整批逐個(gè)更換電池模塊的方式使電池組備電時(shí)間大大延長(cháng)。行業(yè)內的電池組（或電池簇）不具備此功能。
（11）適應恒功率放電：在對恒功率負載放電時(shí)，由于電池組通過(guò)控制電池串聯(lián)數量保持輸出電壓穩定，不會(huì )產(chǎn)生放電末期電壓降低電流翹尾升高現象，在放電末期電池組溫升不會(huì )急劇升高。行業(yè)內的電池組（或電池簇）則是固定串聯(lián)節數，充滿(mǎn)時(shí)電壓高，而在電池組電量低時(shí)電壓低，輸出電壓變化幅度很大，在恒功率負載的放電末期會(huì )出現電流翹尾升高，此時(shí)電池組內阻也變大，會(huì )導致電池組溫度迅速上升，不僅影響電池壽命，并可能導致安全性問(wèn)題。
（12）可以實(shí)現雙向脈沖充電：在充電狀態(tài)，當控制電池串聯(lián)數量使電池組電壓低于充電器電壓時(shí)，電池組為正向充電；當控制電池串聯(lián)數量使電池組電壓高于充電器電壓時(shí)，電池組會(huì )對外部負載放電，從而可以實(shí)現雙向脈沖充電。雙向脈沖充電方式可以消除電池在充電時(shí)的極化效應，并能抑制充電時(shí)鋰枝晶的產(chǎn)生，大大延長(cháng)電池組的循環(huán)壽命。行業(yè)內的電池組普遍無(wú)此功能。
（13）在高壓直流應用時(shí)可以實(shí)現電壓無(wú)跳變切換：采用了動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)，無(wú)論電池組SOC值高或低，都可以實(shí)現始終以恒壓方式充電，使電池組電壓與電源電壓相一致，并能實(shí)現自動(dòng)功率調整，在負載功率大于電源功率時(shí)，電池組輸出能量；負載功率低于電源時(shí)，電池組自動(dòng)轉為充電吸收能量。行業(yè)內的高壓直流應用的電池組，在電源在線(xiàn)時(shí)電壓高，若電源切換時(shí)電池未充滿(mǎn)，就會(huì )出現電壓大幅度跳變。
（14）可以實(shí)現容量微調：電池組可以通過(guò)動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)在電池組合結構上實(shí)現容量微調，擴展性好，例如，采用20Ah的單體電池，增加20%的動(dòng)態(tài)串聯(lián)數量，就可以在無(wú)需并聯(lián)情況下可以構成25Ah等效容量的電池組。行業(yè)內的電池組無(wú)此功能。
（15）可以實(shí)現軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷：通過(guò)將電池模塊依次順序串聯(lián)接入，使串聯(lián)數量由少到多增加，可以實(shí)現輸出電壓由低到高的軟啟動(dòng)；同理，也可以使電池模塊依次順序退出串聯(lián)，串聯(lián)數量由多到少，實(shí)現輸出軟關(guān)斷，減少負載開(kāi)啟或關(guān)斷瞬間功率器件上的電應力。行業(yè)內的電池組無(wú)此功能。
 
電池組動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)非常適用于高電壓的電池組系統，大大增加系統的安全性和可靠性，可實(shí)現電池組的精確電量計量，并使電池組的維護成本更低。
電池組動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)的基本原理在于電池組中電池單元的串聯(lián)數量是可以變化的，而電池單元又可以被獨立接入串聯(lián)主回路或隔離出來(lái)。下圖為采用動(dòng)態(tài)串聯(lián)技術(shù)的電池模塊的示意圖，一個(gè)電池組系統可以由多個(gè)這種電池模塊串聯(lián)組成。圖示所示為4*4S的電池模塊，它具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
1、該電池模塊控制4個(gè)4S單元的串聯(lián)接入和退出；
2、每個(gè)4S單元具有獨立的二級保護功能；
3、每個(gè)4S單元在必要時(shí)可受控熔斷，永久斷開(kāi)；
4、主控系統可控制串聯(lián)的4S數量。

 
動(dòng)態(tài)串聯(lián)管理技術(shù)由于涉及到浮電位電池電壓檢測、多模塊同步控制、開(kāi)關(guān)電源、高速隔離通信、電池模塊與系統的低功耗管理等多種技術(shù)，因此實(shí)現起來(lái)的難度相當大，我們是在20年BMS技術(shù)經(jīng)驗積累基礎上做了許多技術(shù)創(chuàng )新和實(shí)踐驗證來(lái)最終實(shí)現的，從項目技術(shù)預研到完成功能樣機，就花了2年多的時(shí)間。
 
 
 
 
編者注：
俞峰，福建飛毛腿動(dòng)力科技有限公司總工程師，擁有21年的鋰電池行業(yè)經(jīng)驗，擅長(cháng)BMS設計，擁有BMS授權專(zhuān)利20余項。研發(fā)的《多節串并聯(lián)鋰離子智能電池》項目于2006年獲得省科學(xué)技術(shù)獎三等獎。2005年，研發(fā)了全球第一臺鋰電為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組，并在韓國汽車(chē)展上隨整車(chē)展出。2007年，研發(fā)了國內第一臺1U尺寸的48V通信備電用鋰離子電池組。
目前，正在帶領(lǐng)團隊進(jìn)行電池組BMS動(dòng)態(tài)串聯(lián)管理技術(shù)的研發(fā)，目前已完成功能樣機。