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锂电池系统技术瓶颈及安全性保障分析

文章出处:ofweek 发布时间: 2017/08/23 | 154 次阅读

  电池管理系统(BMS)作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件,起到保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能,通过一系列的管理和控制,保障电动汽车的正常运行。

  据相关统计,2013年全球电池管理系统市场产值成长逾10%,2014年至2016年成长幅度将大幅跃升至25-35%。到2020年前,电动汽车将保持约15%~30%的年复合增长率,除了纯电动汽车、插电式混合动力汽车和混合动力汽车的数量增长之外,新型的48V轻度混合动力系统也将显著促进增长。鉴于此,电子发烧友采访了美国力特公司(Littelfuse)中国区销售总监查勇。

  力特公司中国区销售总监查勇表示,要使电池工作在可靠和安全的状态,就必须管理电池的充、放电状态,及监管电池的安全工作电压,目前大多采用的是主动均衡和被动均衡技术。

  针对当前市场,力特公司中国区销售总监查勇谈到,当前基于低或零排放而改善空气质量的需求,对汽车提出更高的效率要求,随着整个汽车中电负载的增加(如汽车动力的提升、多媒体用电等),要求高电压供电以及更强大的供电系统。

  目前电动汽车/混合动力汽车架构主要有四类:一是HEV(Hybrid),油、电混合动力,电池靠发动机充电;二是PEV(Plug-in),油、电混合,电池需外部充电;三是BEV( Battery Electric Vehicle),纯电池供电;四是化学燃料电池供电。查勇表示,当前油、电混合动力汽车占有的市场比例比较大,后期会慢慢往纯电动转型。

  

  那么,锂离子电池有哪些优势?

  我们知道,电动汽车的供电系统是由若干个锂离子电池组成的。

  

  从上图可以看到,锂电池组是由一个个电池单元组成,每一个电池组大约有500~7000个单元,这对电池的管理与控制提出了更高的要求。

  

  锂电池技术将是任何类型电动汽车的基础。查勇表示,目前还在不断改进之中,未来将提供所需的最佳成本及功能性,对于成本在未来几年里预计将降低四分之一到三分之一,而能量密度具有相同的增长幅度。在上图中,铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池的比较表,可以看到锂离子电池在功率密度和充电循环寿命上的优势是其它无法替代的。


  存在哪些技术瓶颈?

  对于锂离子电池技术方面,还有很多地方需要进一步完善,查勇谈到主要有三点:

  其一,充放电状态。当充放电状态在一定范围内时电池才能安全可靠地运行,高放电和过充电会降低锂离子电池的效率和寿命,理想的荷电状态为最大充电量的20%至90%左右;

  其二,安全电池工作电压。保持电池电压在最低2 V和最高4.2 V之间,过高的电池电压会导致过多的电流流动,在最坏的情况下,短路会破坏电池;

  其三,热管理。温度控制尤为重要,因为过高的温度可能会在负极过程中导致一种联锁反应,从而导致因可能的电极短路以及可燃气体从有机溶剂(电解液)中除气而发生危险情况。

  要使电池工作在可靠和安全的状态,就必须管理电池的充、放电状态,及监管电池的安全工作电压,目前大多采用的是主动均衡和被动均衡技术。查勇补充到,对于保护器件保险丝而言,小体积,高电压仍是一个技术难点。

  安全性方面该如何把控?

  锂离子电池需要通过电池管理系统进行仔细监测和调节,对电池管理系统本身进行保护是保证这一重要的系统在所有情况下(组装、保养、正常操作)安全可靠。

  在短路情况下,会在电力线上引起强大的电流。查勇表示,针对这样的情况,推荐使用具有较高分断能力的保险丝的合适的熔断技术,如力特公司的0HEV系列。电池管理系统通常通过高阻抗感应线连接,因此短路电流会显著降低,允许使用电子保险丝,电当然压高低要求取决于电池结构。

  针对电池保护,力特保险丝和TVS二极管保护具有很大的优势:

  1) 作为全球保护器件的领导者,力特提供全系列的保护器件,包括Fuse、PPTC TVS Diode、TVS Diode Array,同时提供不同的保护方案;

  2) 所有器件满足AEC-Q101和AEC-Q200汽车认证;

  3) LAB 能针对客户提供多样的测试需求。

  查勇指出,随着越来越多的汽车应用(如电池传感器线路保护)依赖电子保险丝,在目前汽车中使用的电子保险丝没有定义官方标准的情况下,力特根据 AEC-Q200 准则制定了一项测试计划,对保险丝在汽车应用的适用性和可靠性进行测试,这项测试计划包含18项测试。

  例如1000小时高温高湿测试、1000循环温度冲击测试、特殊机械冲击及振动测试等,所用的样本量也有更加严格的要求。“只是一次测试做到了还不够,如何保证每批货都通过这个测试?整个质量控制体系才能保证高品质的一致性和持续性,这是某些厂商所不具备的,需要特别注意。”

  

  另外,力特不断在汽车应用电子保险丝的合格范围内提供更多的产品。对于直流滤波电容和IGBT的保护,过去使用的是齐纳二极管,但是它们无法提供与 TVS 二极管相同的优势,如快速响应、更高的浪涌能力和更高的可靠性。

  比如,车载充电器通过CAN 总线与其他系统进行通信,在密集的汽车环境中,CAN 线路会遭受ESD或其他汽车系统通过耦合或传导而引起的其他瞬变所导致的过电压应力。对此,查勇表示,针对CAN总线开发出了专用的保护器件,SM24CANA和SM24CANB. 其不仅具有ESD能力,还有一定的抗浪涌能力,同样也满足AEC-Q101汽车认证。

  不难发现,锂电池系统是由若干单节电池组成的,架构都比较复杂,是整个系统能否可靠工作的关键所在,也极易受到静电、开关功率负载、感应浪涌、过负载、短路等过电流和过电压得威胁,因此精心选择和正确放置保护元器件进行过电压和短路保护尤为重要。

  最后,查勇表示,大力发展新能源汽车已成为各国共识,世界主要国家如美国、中国、日本、德国、韩国、英国等都纷纷建立了自己宏伟的新能源汽车产业规划。新能源汽车的安全性问题,一直是汽车产业的重点工作之一,在展望新能源汽车快速发展的同时,我们须认识到,稳定、高效、安全、可靠的电池管理系统产品,是保障电动汽车的正常运行的关键,只有这样新能源汽车才能拥有可持续发展的未来。


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