后动力电池BMS时代的来临

一、BMS时代

BMS（BatteryManagementSystem）是动力锂离子电池成组技术中不可或缺的重要组成部分，已成为电动车领域的共识。把BMS定位为锂动力电池与整车应用的核心技术亦不为过。甚至可以说BMS助推锂动力电池开启了新能源汽车和电力储能等相关领域的新时代，这是有目共睹，无可怀疑的。

BMS作为保护动力锂离子电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状况，通过必要的控制策略改善电池的成组一致性，为电池的成组安全提供保障，是动力锂离子电池成组管理的核心部件。这个过程称之为“管理”。

另一个新生事物是电池组维护仪。作为锂电池成组出厂维护系统，电池组维护仪通过对每一只单体电池的精心呵护，可有效地起到抑制各单体电池之间的互差，保持电池的一致性，延长动力锂离子电池的循环寿命。这个过程称之为“维护”。

二、电动车需要“维保”吗？

管理+维护=电池成组全寿命周期的保障。目前，这一理论在实践中已经得到综合运用并取得显著成果。此时期称为“后BMS时代”。

燃油车每行驶5000-7500公里需要维保一次，这一行业定规已被世人广泛接受，而电动车是否需要“维保”则成为关注的焦点。有人说燃油车是传统技术，定期维保理该如此；电动车是新技术有BMS保驾护航应不需维保，事实真的如此吗？很不幸，答案是否定的。

三、电动车为什么会“趴窝”？

中国动力锂离子电池广泛应用于新能源汽车和电力储能已成大势所趋。从2015年下半年开始，新能源汽车因政策性导向呈爆炸式增长，动力锂离子电池的需求量迅速膨胀，与锂电池相关的投资热席卷新能源整个产业链。2016年的“纠结”和2017年因“补贴”政策的退坡效应引起的“行业洗牌”给动力锂离子电池产业的发展造成了巨大的压力，同时也带来了前所未有的发展机遇。但动力锂离子电池在电动车的表现似乎并不尽人意。近两年来随着电动公交的运营热的到来，动力锂离子电池的表现不佳逐渐显现出来，出现了普遍的电池“提前折寿”问题，电池厂向主机厂承诺的“8年十五万公里”的电池质保基本上停留在了纸面上。事实上，电动公交首当其冲，有相当一部分车辆不到两年就出现了“趴窝”现象，趴窝率有些甚至突破了30%。厂家承诺的动力锂离子电池3000次以上的循环寿命，仍然很难突破800次大关。

电池厂组建的“庞大”售后队伍疲于奔命地奔波于各车辆运营现场，对单体电池进行充放、替换、修复，但仍忙不过来，车辆“停摆”的难题仍难以攻克。运营车辆“趴窝”现象频繁出现。

四、电池的成组一致性差异会导致电动车“趴窝”？

造成电动车“趴窝”现象的一个关键问题出在电池组的成组一致性的保证环节。这个问题因会涉及到一些技术术语，下面逐个说明。

一般人们谈锂电池寿命普遍停留在单体电池的寿命，以为单体电池的几千次的循环使用寿命就代表了锂电池成组应用的寿命，此观点有失偏颇。道理很简单，锂电池用于新能源汽车及电力储能等领域是需要“串并联成组”应用的。这里强调的电池“成组”应用是问题的关键所在。在电池成组应用中，首先要将一只只一致性相对较好的小容量电芯并联起来组成的一只“大”电池，称之为单体电池。例如，特斯拉Models用了几十只18650圆柱形电池并联成单体电池。然后再将一只只单体电池串联起来才得到希望的电池组，我们称其为电池成组。电动大巴所用的高电压、大功率成组电池，因为其体积重量较大较重，常常被再细分成小一些轻一些的电池包，称其为电池PACK，最后再将其串联成组就是我们所说的电池成组。

动力锂离子电池成组后通常采用BMS来对电池进行进一步的优化管理，以避免锂电池因“过充电”或“过放电”而对锂电池造成不应有的致命“伤害”。

关于BMS前面已有阐述。动力锂离子电池在整车和电力储能等领域的应用当然离不开BMS的保驾护航，通常称其为“线上管理”。BMS对动力锂离子电池进行管理，其作用功不可没是不争的事实。但单纯靠BMS做电池成组管理还是有其局限性。由于动力锂离子电池成组应用的全寿命周期的完整性是要靠电池组的各单体电池一致性来保证的，虽然动力锂离子电池在电池出厂时已做了严格的一致性筛选，但出厂应用，尤其是在工况、环境等因素较为复杂的整车应用过程中，电池成组一致性差异会随着时间的推移不断累积加大，仅靠BMS做“线上管理”毕竟有些势单力薄力不从心，从而单体电池电压互差会随着时间的推移逐渐加大。当BMS检测到电池互差过大时便会强行切断总电气回路以保证电池组安全。这就是前面说过的电动公交的大面积提前“趴窝”现象的客观解释。

五、“被动均衡”与“主动均衡”难以破局

为了解决电池组的一致性差异这一技术难题，BMS曾采用了很多种方法，如早期的“被动均衡”和目前流行的“主动均衡”其想法都是试图解决电池成组一致性问题。

被动均衡先于主动均衡出现。因为电路简单、成本低廉至今仍被广泛使用。其原理是依照电池的电量和电压呈正相关，根据单串电池电压数据，将高电压的电池能量通过电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态，也有以最高电压为判据，比如三元锂电最高4.2V，凡是超过4.2V就开始放电均衡。

主动均衡是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中，相当于对木板“截长补短”。除了飞度电容的方案(因为适用串数低，转移有局限性而未能成为主流)，还有变压器的方案。变压器方案中又分为各种不同的拓扑结构。半导体厂家也设计了电池专用的包含DC/DC功能的转换芯片，命名为主动均衡控制芯片来推向市场。

“被动均衡”和“主动均衡”看似都以解决电池一致性问题煞费了苦心,但经过近十年的电池成组实践，应用效果并未达到预期。究其主要原因，二者虽原理不同但存在一个几近相同的“致命伤”，就是无标准可依。二者的理论根基看似都是将高容量电池向低容量电池看齐，以求解决电池一致性差异，但电池在动态均衡时低容量电池是没有固定标准可参照的，因此这种近似“折腾”的结果会不断的反复进行，这对电池组工作十分不利，且永远得不到电池一致性的最终结果。有如于蹩脚木匠削板凳腿会越削越短。难以达到整合电池一致性提高电池寿命的真正目的。

电池组的全寿命周期如何来保证？这一影响到新能源汽车及电力储能等相关领域发展的共性问题摆在了我们面前。

六、管理+维护=电池组全寿命周期

我国动力电池延长寿命，技术突破是关键。

管理+维护=电池组全寿命周期的新理念，已然成为了动力电池延长寿命的技术突破口。

七、何为电池维护技术？

一种新型的用于电池组维护的新技术—电池组维护系统走入了人们的视野,称其为“线下维护”。该系统具有如下特点：

1.采用模块化设计，即多个具有完备功能受控的充电模块，一一对应电池组内的各单体电池，组成通道独立的“补电”维护系统。

2.采用专有的并充充电控制技术，保证各通道电池达到设定的严格一致的充电截止电压，确保动力锂电池组的不均衡度控制在允许的范围内，从而大大提高动力锂电池组的循环使用寿命。

图1中显示了12串锂电池组进行连续充放电实验各节电池电压的变化曲线。可以看出，经过维护后，各节电池的放电曲线基本重合，电池一致性得到有效保护。

八、维护系统的应用效果

以某公司180辆电动大巴车的运营情况为例。

其现状是运营不到两年就出现几十辆车辆频繁“趴窝”现象，根本无法满足8年或十五万公里的基本要求。

采用电池组维护技术对电动大巴车电池组进行维护，维护策略为车辆每5000公里或3个月维护一次，一次投入不到几十万元，可节省电池更换资金几千万元，十分划算。

电池厂商售后费用的得到了降低，同时也提升了自身品牌的价值，树立良好的口碑。综合成本的降低有利于在同行内快速提升竞争力。

用户对产品重建信心，实现节能、减排、提效。而对整车厂意义同样重大。

图2为国内某EV运营公司维护现场。电池组维护技术经过厂家长期严格数据测试，维护效果非常明显，尤其对电动车的全寿命周期运营意义重大。

图2国内某EV运营公司维护现场

九、管理+维护——后BMS时代值得期待

电池组维护设备经过电池厂和整车厂试用，维护效果十分明显，电池组一致性差异经维护后明显减小，受到用户的普遍好评。

虽然电池组维护的理念推出时间尚短，完整的数据验证还有待于理论和实践的进一步检验，但这一新生事物因其源于实践，理论依据充分，势必会给目前较为浮躁的动力锂离子电池成组应用局面带来一缕春风。