2.2 动力电池基础知识及应用技术

电池一般分为储能电池与动力电池两种。其中，储能电池指能量密度高的电池，动力电池指功率密度高的电池，一般而言，储能电池的充、放电倍率较小（如小于1C），而动力电池的充、放电倍率较大，一般动力电池可实现2～10C的放电，某些轨道车辆和电动汽车用的动力电池可承受10C甚至是30C的放电倍率。电池及电池组的相关概念包括：

电池单体（Cell）指直接将化学能转化为电能的基本装置和基本单元。

电池（Battery）指由多个电池单体并联或串联而成，具有独立正极和负极输出的装置。

电池组（Battery Pack）是由多块电池通过串联或并联构成的存储电能的部件。

电池系统（Battery System）指由多个电池组串联或并联构成、具备完善电池管理系统的电能供给系统。

2.2.1 电池的基本构成及性能指标

电池是车辆的动力源，是能量的存储装置，其分类方式如图2-5所示。

车用动力电池有传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。几款主流电池的技术参数对比情况见表2-2。可以看出，由于锂电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，已成为厂家的首选。

1. 电池的基本构成

电池是一种把化学反应所释放的能量直接转变成直流电能的装置。要实现化学能转变成电能的过程，必须满足如下条件：①必须实现将化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行）以及得到电子的还原过程（在正极进行），分别在两个区域进行，这与一般的氧化还原反应存在区别。②两电极间必须具有离子导电性的物质。③化学变化过程中电子的传递必须经过外线路。

为了满足构成电池的条件，电池需包含以下基本组成部分。

（1）电解质 电解质拥有很高的、选择性的离子电导率，提供电池内部的离子导电的介质。大多数电解质为无机电解质水溶液，少部分电解质也有固体电解质、熔融盐电解质、非水溶液电解质和有机电解质。有的电解质也参加电极反应而被消耗。电解质对于电子来说必须是非导体，否则将会产生电池单体的自放电现象。

（2）正极活性物质 正极活性物质具有较高的电极电位，电池工作即放电时进行还原反应或阴极过程。为了与电解槽的阳极、阴极区别开，在电池中称作正极。锂离子电池正极材料对比情况见表2-3。

（3）负极活性物质 负极活性物质具有较低的电极电位，电池工作时进行氧化反应或阳极过程。为了与电解槽的阳极、阴极区别开，在电池中称作负极。锂离子电池负极材料对比情况见表2-4。

（4）隔膜 为了保证正、负极活性物质绝对不直接接触而短路，又要保持正负极之间尽可能小的距离，以使电池具有较小的内阻，在正、负极之间必须设置隔膜。隔膜材料本身都是绝缘良好的材料，如橡胶、玻璃丝、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，以防止正负极间的电子传递和接触。同时隔膜材料要求能耐电解质的腐蚀和正极活性物质的氧化作用，并且隔膜还要有足够的孔隙率和吸收电解质溶液的能力，以保证离子运动。

（5）外壳 作为电池的容器，电池的外壳材料必须能经受电解质的腐蚀，而且应该具有一定的机械强度。铅酸电池一般采用硬橡胶。碱性蓄电池一般采用镀镍钢材。近年来由于塑料工业的发展，各种工程塑料诸如尼龙、ABS、聚丙烯、聚苯乙烯等已成为电池壳体常用的材料。

除了上述主要组成部分外，电池还常常需要导电栅、汇流体、端子、安全阀等零件。

2. 电池的性能指标

（1）电压 电压分为电动势、端电压、额定电压、开路电压、工作电压、充电电压、充电终止电压、放电终止电压和电压效率等。电池电压各项性能指标的描述见表2-5。

（2）容量 电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。常用单位为安培·小时（A·h），它等于放电电流与放电时间的乘积。

电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。

理论容量指假设电极活性物质全部参加电池的化学反应所能提供的电量，是按法拉第定律计算而得到的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为A·h/L或A·h/kg。

实际容量指电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为A·h，其值小于理论容量。电池的实际容量主要与电池正、负极活性物质的数量及利用的程度（利用率）有关，而活性物质利用率主要受放电制度、电极的结构和制造工艺的影响。放电制度是指放电速率、放电形式、终止电压和温度。高速率即大电流。低温条件下放电时，将减少电池输出的容量。电极的结构包括电极高宽比例、厚度、孔隙率以及导电栅网的形式。实际容量反映了电池实际存储电量的大小，电池容量越大，车辆的续驶里程就越远。

在使用过程中，电池的实际容量会逐步衰减。国家标准规定新出厂的电池实际容量大于额定容量值为合格电池。

标称容量是用来鉴别电池的近似容量值。在指定放电条件时，一般指0.2C放电时的放电容量。

额定容量是按国家或有关部门颁布的标准，保证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。按照IEC标准和国标，镍镉电池和镍氢电池在（20±5）℃条件下，以0.1C充电16h后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量，以C表示；锂电池在常温、恒流（1C）、恒压（4.2V）条件下充电3h后，再以0.2C放电至2.75V时所放出的电量为电池的额定容量。

荷电状态（SOC）是电池剩余电量与相同条件下额定容量的比值，它反映电池容量的变化。SOC=1即表示电池充满状态。随着电池的放电，电池的电荷逐渐减少，此时电池的充电状态，可以用SOC的百分数相对量来表示电池中电荷的变化状态。一般电池放电高效率区为50%～80%SOC。

（3）内阻 一般说到的内阻指充电态内阻，即电池充满电时的内阻（与之对应的是放电态内阻，指电池充分放电后的内阻。放电态内阻一般比充电态内阻大，并且不太稳定）。电池内阻越大，电池自身消耗能量越多，电池的使用效率越低。内阻很大的电池在充电时发热很厉害，使电池的温度急剧上升，对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，电池的内阻会有不同程度的升高。电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断改变，需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。

电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻，二者之和为电池的全内阻。欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成。极化电阻是化学电源的正极、负极在进行电化学反应时由于极化引起的内阻。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关，尤其与电池的工作条件有关，放电电流和温度对其影响很大。在大电流密度下放电时，电化学极化和浓差极化均增加，甚至可能引起负极的极化，极化内阻增加。低温对电化学极化、离子的扩散均有不利影响，故在低温条件下电池的极化内阻也增加。因此，极化内阻并非是一个常数，而是随放电率、温度等条件的改变而改变。

各种规格和型号的蓄电池内阻各不相同。在低倍率放电时，内阻对电池性能的影响不显著；但在高倍率放电时，电池全内阻明显增大，电压降损失可达数百毫伏。

（4）能量 能量指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位是W·h或kW·h。它直接影响轨道车辆的行驶距离。能量分为理论能量、实际能量、比能量和能量密度。理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，即假设电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压保持电动势的数值，而且活性物质的利用率为100%时，电池所输出的放电容量。实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量。

比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电能，单位是W·h/kg，常用比能量来比较不同的电池系统。

能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位是W·h/L。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响整车质量和续驶里程，是评价动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。

（5）功率 功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为W或kW。电池的功率决定了车辆的加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。比功率是指单位质量电池所能输出的功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg；功率密度是指单位体积电池所能输出的功率，也称体积比功率，单位为W/L或kW/L。

电池的比功率影响车辆的加速性能和坡道运行能力，是评价动力电池是否满足预定起动加速度和坡道运行能力的重要指标。

（6）输出效率 输出效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比。影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上。此外，自放电、电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也会降低容量效率。影响效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加，放电电压下降。内阻的能量损耗以电池发热的形式损耗掉。

（7）自放电率 自放电率指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。电池无负荷时由于自行放电使容量损失。蓄电池能用充电方法恢复容量。自放电通常主要在负极，因为负极活性物质多为活泼的金属粉末电极，在水溶液中可发生置换氢气的反应。若在电极中存在着氢超电势低的金属杂质，这些负极和负极活性物质能组成腐蚀微电池，结果负极金属自溶解，并伴有氢气析出，从而容量减少。在电解液中杂质起着同样的有害作用。一般正极的自放电不大。正极为强氧化剂，若在电解液中或隔膜上存在易于被氧化的杂质，也会引起正极活性物质的还原，从而减少容量。

自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。

式中 C_a——电池存储前的容量（A·h）；

C_b——电池存储后的容量（A·h）；

T——电池储存的时间，常用天、月计算。

（8）放电倍率 放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小，可分为低倍率（＜0.5C）、中倍率（0.5～3C）、高倍率（3～ 10C）、超高倍率（＞10C）。例如，某电池的额定容量为40A·h，若用8A电流放电，则放完40A·h的额定容量需用5h，也就是说以0.2倍率放电，用符号C/5或0.2C表示，为低倍率放电。

（9）放电深度 放电深度指放电容量与总放电容量的百分比，简称DOD（Depth of Dis-charge）。放电深度表示放电程度的一种量度，其高低跟二次电池的充电寿命有很深的关系。二次电池放电深度越大，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。

（10）寿命 寿命指在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。降低放电深度，即浅放电，可以有效延长二次电池的充放电循环寿命。随着充放电次数的增加，二次电池容量衰减现象较为明显。这是因为在充放电循环过程中，电池内部会发生一些不可逆反应，引起电池放电容量的衰减。这些不可逆的因素主要包括：

1）电极活性表面积在充放电循环过程中不断减小，使工作电流密度上升，极化增大。

2）电极上活性物质脱落或转移。

3）电池工作过程中，某些电极材料发生腐蚀。

4）隔膜的老化和损耗。

5）在循环过程中电极上生成枝晶，造成电池内部微短路。

6）活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变，使得活性降低。

（11）化成 电池制成后，需要对电池单体进行小电流充电，将其内部正负极物质激活，在负极表面形成一层钝化层——SEI（solid electrolyte interface）膜，使电池性能更加稳定，电池经过化成后才能体现其真实的性能，这一过程称为化成。化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高，化成容量是筛选合格电池的重要指标。

2.2.2 锂电池结构与工作原理

1. 锂电池的种类与特点

根据锂电池所用电解质材料不同，可以分为液态锂电池（Liquified Lithium-Ion Battery，LIB）和聚合物锂电池（Polymer Lithium-Ion Battery，PLB）两大类。

液态锂电池和聚合物锂电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO₂，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜作集流体。两种锂电池结构的对比分析见表2-6。

液态锂电池与聚合物锂电池的主要区别在于电解质的不同，液态锂电池使用的是液体电解质，而聚合物锂电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。其中，液态锂电池是指Li⁺嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO₂，LNiO₂或LiMn₂O₄，负极采用锂-碳层间化合物Li_xC₆。

聚合物锂电池具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化和高安全性等多种明显优势。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池；在安全性上，外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，内部质量隐患可立即通过外包装变形而显示出来，一旦发生安全隐患，不会爆炸，只会鼓胀。因为聚合物锂电池使用了胶体电解质，不会像液体电解液那样泄漏，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量。

聚合物锂电池可分为三类：固体聚合物电解质锂电池、凝胶聚合物电解质锂电池、导电聚合物锂电池。

2. 锂电池的结构与工作原理

锂电池即分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。锂电池靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作，因此又被人们形象地称为“摇椅式电池”。图2-6为锂电池原理图，图2-7显示出锂离子充放电过程。

锂电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，通过Li⁺在正负极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。从充放电的可逆性看，锂电池反应是一种理想的可逆反应。锂电池的电极反应表达式分别为：

正极反应式：

负极反应式：

电池反应式：

式中，M代表Co、Ni、W、Mn等金属元素。

锂电池的工作原理主要包括以下几点：

1）当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时则反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言，电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物作正极，如Li_xCoO₂、Li_xNiO₂、Li_xMn₂O₄。

2）作为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种锂碳层间化合物Li_xC₆，包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等，以及金属氧化物，包括S_nO、S_nO₂、锡复合氧化物S_nB_xP_yO_z等。

3）电解质采用LiPF₆的乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸酯搭配的混合溶剂体系。

4）充电过程中，Li⁺正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。

5）放电过程则相反，Li⁺从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。

6）隔膜采用聚烯微多孔膜，如PE、PP或它们的复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险的作用。

3. 锂电池的失效机理及失效模式

造成锂电池容量衰退的原因主要有正极材料的溶解、正极材料的相变化、电解液的分解、过充电造成的容量损失、自放电、界面膜（SEI）的形成、集流体腐蚀等。动力电池系统失效模式，可以分为三种不同层级的失效模式，即电芯失效模式、电池管理系统失效模式、Pack系统集成失效模式。

电芯的失效模式又可分为安全性失效模式和非安全性失效模式。

（1）电芯安全性失效 电芯安全性失效主要有以下几种类型：

1）电芯内部正负极短路。电池内短路是由电芯内部引起的，引起电池内短路的原因可能是电芯生产过程中缺陷导致或是长期振动外力导致电芯变形、外部保险不起作用所致。

2）电池单体漏液。原因包括：外力损伤；碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏；制造原因（焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等）。电池漏液后整个电池包的绝缘失效，单点绝缘失效问题不大，如果有两点或以上绝缘失效会发生外短路。从实际应用情况来看，软包和塑壳电芯相比金属壳单体更容易发生漏液情况导致绝缘失效。车辆着火的事故很多都是由电池漏液造成的。

3）电池负极析锂。电池使用不当，过充电、低温充电、大电流充电都会导致电池负极析锂。国内大部分厂家生产的磷酸铁锂或三元电池在0℃以下充电都会发生析锂，0℃以上根据电芯特性只能小电流充电。发生负极析锂后，锂金属不可还原，导致电池容量不可逆衰减。析锂达到一定严重程度，形成锂枝晶，刺穿隔膜发生内短路。

4）电芯胀气鼓胀。主要是因为电池内部发生副反应产生气体，通过在电芯生产过程严格控制水分可以避免。一旦发生电池胀气就会发生漏液等情况。

（2）电芯非安全性失效 电芯的非安全性失效只是影响使用性能，主要有以下几种类型：

1）容量一致性差。原因包括电池的生产制造工艺、电池的存放时间长短、电池组充放电期间的温度差异、充放电电流大小等。目前解决方法主要是提高电池的生产制造工艺控制水平，从生产关尽可能保证电池的一致性。

2）自放电过大。电池制造时杂质造成的微短路所引起的不可逆反应是造成个别电池自放电偏大的最主要原因。由于电池在长时间的充放电及搁置过程中，随环境条件发生化学反应，引起电池大自放电现象，这使电池电量降低，性能低下，不能满足使用需求。

3）低温放电容量减少。随着温度的降低，电解液低温性能不好，参与反应不够，电解液电导率降低而导致电池电阻增大，电压平台降低，容量也降低。目前各厂家电池-20℃下的放电容量基本在额定容量的70%～75%。低温下电池放电容量减少，且放电性能差，影响车辆的使用性能和续驶里程。

4）电池容量衰减。电池容置衰减主要来自于活性锂离子的损失以及电极活性材料的损失。正极活性材料层状结构规整度下降，负极活性材料上沉积钝化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，导致电池电荷传递阻抗增大。脱嵌锂能力下降，从而导致容量的损失。

（3）电池管理系统失效 电池的单体失效不仅和电池本身有关，也和电池管理系统BMS失效有关。BMS失效模式也会造成严重的事故有以下几类：

1）BMS电压检测失效导致电池过充电或过放电。过充电容易导致锂离子电池中的电解液分解释放出气体，从而导致电池鼓胀，严重的话甚至会冒烟起火；电池过放电会导致电池正极材料分子结构损坏，从而导致充不进去电；同时电池电压过低造成电解液分解，干涸发生析锂，回到电池内短路问题。在系统设计时应该选用可靠的电压采集线，在生产过程中严格管控，杜绝电压采集线的失效。

2）BMS电流检测失效。霍尔传感器失效，BMS采集不到电流，SOC无法计算，偏差大。电流检测失效可能导致充电电流过大。充电电流大，电芯内部发热大，温度超过一定温度，会使隔膜固化容量衰减，严重影响电池寿命。

3）BMS温度检测失效。温度检测失效导致电池工作使用温度过高，电池发生不可逆反应，对电池容量、内阻有很大影响。电池45℃时的循环寿命是25℃时的一半，另外温度过高电池易发生鼓胀、漏液、爆炸等问题，因此在使用过程中要严格控制温度在20～45℃之间，除能有效提高电池的使用寿命和可靠性之外，还能有效避免电池低温充电析锂造成的短路以及高温热失控。

4）绝缘监测失效。在动力电池系统发生变形或漏液的情况下都会发生绝缘失效，如果BMS没有被检测出来，有可能发生人员触电。因此BMS系统对监测的传感器要求应该是最高的，避免监测系统失效可以极大地提高动力电池的安全性。

5）电磁兼容问题通信失效。BMS系统须具备较强的抗电磁干扰能力，避免导致BMS通信失效，引发以上几个问题。

6）SOC估算偏差大 基本上目前的检验标准要求都是5%以内，大部分厂家BMS应该都很难达到，因为实际使用中SOC误差会越来越大，影响精度的条件更多。

（4）系统集成失效 系统集成失效模式主要包括：

1）汇流排的失效。如果是螺栓连接，在后期使用过程中，螺栓氧化脱落或振动导致螺栓松了都会导致导体连接处产生大量的热，极端情况下会导致动力电池着火。因此绝大部分动力电池系统生产厂家在电芯与电芯连接或模块与模块连接处采用激光焊接，或在连接处增加温度传感器，通过检测的手段避免汇流排的失效。

2）动力电池系统主回路连接器失效。动力电池系统高压线通过连接器与外部高压系统相连。连接器性能不可靠，在振动下发生虚接，产生高温烧蚀连接器。一般来说连接器温度超过90℃就会发生连接失效。因此在系统设计时连接器需要增加高压互锁功能，或在连接器附近加温度传感器，时刻监测连接器的温度以防止连接器的失效。

3）高压接触器粘黏。接触器有一定次数的带载断开，大部分接触器在大电流带载闭合时烧蚀。在系统设计时一般采用双继电器方案，按照先后顺序闭合控制以避免高压接触器粘黏。

4）熔断器过流保护失效。高压系统部件中的熔断器的选型匹配，过电流时先断哪个后断哪个需要综合考虑。振动或外部受到碰撞挤压导致动力电池发生形变，密封失效，IP等级降低，因此在系统设计时需要考虑电池箱结构的碰撞防护。

科研人员和电池厂商应通过不断改进工艺和技术提高锂电池单体的安全性，BMS系统厂商要充分了解电池的性能，基于动力电池的安全设计原则，设计出安全可靠的电池系统，同时正确的使用是保障电池安全性的最终屏障。使用者要正确使用动力电池系统，杜绝机械滥用、热滥用和电滥用，切实提高车辆的安全性和可靠性。

4. 锂电池使用安全性和使用寿命的影响因素

锂电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力升高，积累到一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。其主要原因包括材料热稳定性（正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性）和制造工艺等。

当动力电池单体寿命一定时，动力电池的连接方式、组内单体的块数及其不一致程度成为影响动力电池组寿命的最主要因素。

（1）电池单体寿命影响因素。动力电池单体在充放电循环使用过程中，由于一些不可避免的副反应，电池可用活性物质逐步减少，性能逐步退化。其退化程度随着充放电循环次数的增加而加剧，其退化速度与动力电池单体充放电的工作状态和环境有着直接的联系。

影响动力电池单体寿命的因素主要包括充放电速率、充放电深度、环境温度、存储条件、电池维护过程、电流波纹以及过充电量和过充频度等。

1）充电截止电压。动力电池在充电过程中一般都伴随有副反应，提高充电截止电压，甚至超过电池电化学电位后进行充电一般会加剧副反应的发生，并导致电池使用寿命缩短，并可能导致内部短路、电池损坏，甚至着火爆炸等危险工况的出现。

2）放电深度。深度放电会加速动力电池的衰退。浅充浅放可以有效延长动力电池的使用寿命。

3）充放电倍率。动力电池单体的充放电倍率是其在使用工况下最直接的外界环境特征参数，其大小直接影响着动力电池单体的衰减速度。充放电倍率越高，动力电池单体的容量衰减越快。动力电池单体大倍率的充放电均会加快其容量的退化速度，如果充放电倍率过大，动力电池单体还可能会出现直接损坏，甚至过热、短路起火等极端现象。

4）环境温度。不同的动力电池均有最佳的工作温度范围，过高或过低的温度都将对电池的使用寿命产生影响。试验表明，在高温下运行应用的动力电池容量衰减明显大于常温下工作的电池。

5）存储条件。在存储过程中，由于电池的自放电、正负极材料钝化、电解液分解蒸发、电化学副反应等因素，将导致电池产生不可逆的容量损失。以锂电池为例，在锂电池存储期间，石墨负极的副反应是引起锂离子动力电池容量衰减的主要原因。锂电池电极材料与电解液在固液相界面上发生反应后，其负极表面会形成一层电子绝缘且离子可导的固体电解质界面膜。其主要是由电解液在负极表面的还原分解而形成的。这层膜的性质和质量直接影响着电极的充放电性能和安全性。

（2）电池组寿命的影响因素 电池组寿命的影响因素除了单体电池本身所含因素以外，还包括不一致性、成组方式、温区差异和振动环境等。

在车辆上应用，不一致性对电池组寿命的影响有三个方面：

1）车辆行驶距离相同，因容量不同，电池的放电深度也不同。在大多数电池还属于浅放电的情况下，容量不足的电池已经进入深放电阶段，并且在其他电池深放电时，低容量电池可能已经没有电量可以放出，成为电路中的负载。

2）同一种电池都有相同的最佳放电率，容量不同，最佳放电电流就不同。在串联组中电流相同，所以有的电池在最佳放电电流工作，而有的电池达不到或超过了最佳放电电流。

3）在充电过程中，小容量电池将提前充满，为使电池组中其他电池充满，小容量电池必将过充电，充电后期充电电压偏高，甚至超出电池电压最高限，形成安全隐患，影响整个电池组充电过程，并且过充电将严重影响电池的使用寿命。

在新能源轨道车辆上电池组可能根据需要布置在不同位置，电池所处的热环境存在差异，如部分电池可能靠近电机等热源，而部分电池可能处于通风状况良好的区域；或者在同一位置的电池内由于通风条件的差异导致单体间的温差。应采用较好的冷却措施，以避免电池在同种工况下以不同特性工作。

此外，车辆的振动环境将对电池的机械特性产生影响，如极耳断裂、电解液泄漏、电气连接件松动、活性物质脱落等，对电池及电池组的寿命和使用性能都将产生负面影响。

2.2.3 动力电池管理系统

动力电池管理系统（Battery Management System，BMS）是用于对动力电池组进行安全监控及有效管理，提高动力电池使用效率的装置。其作用包括：实现对电池状态（温度、电压、电流等）的在线监测；SOC估算；状态分析（SOC是否过高、电池温度是否过高/低、单体电池电压是否超高/低、电池的温升是否过快、绝缘是否故障、是否过电流、电池的一致性分析、电池组是否存在故障以及是否通信故障等）；动力电池箱的热管理。

通过动力电池管理系统对电池组充放电的有效控制，可以达到增加续驶里程、延长使用寿命、降低运行成本等目的，并保证动力电池组应用的安全可靠性。动力电池管理系统已成为新能源轨道车辆不可缺少的核心部件之一。

1. 动力电池管理系统的基本构成和功能

动力电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的复杂的电气测控系统，也是车辆商品化、实用化的关键。新能源轨道车辆在运行时，动力电池的放电和充电均为脉冲工作模式，大的电流脉冲很可能会造成动力电池过充（超过80%SOC）、深放（小于20%SOC）甚至过放（小于0%SOC），因此动力电池管理系统一定要对动力电池的荷电状态敏感，并能够及时做出准确的调整，这样才能根据动力电池容量决定电池的充放电电流，从而实施有效控制，根据各动力电池单体容量的不同，识别动力电池组中各电池间的性能差异，并以此做出均衡充电控制和电池是否损坏的判断，确保电池组的整体性能良好，延长电池组的寿命。

准确和可靠地获得电池SOC是动力电池管理系统中最基本和最首要的任务，在此基础上才能进行有效的用电管理，特别是防止动力电池的过充及过放。动力电池的荷电状态是不能直接得到的，只能通过对电压、电流、电池内阻、温度等动力电池特性参数来推断。这些参数与SOC的关系为复杂的非线性关系。

动力电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路采集电池状态信息数据后，由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后电池管理系统根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递参数信息。

在功能上，电池能量管理系统主要包括：数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口。图2-8为电池管理系统功能框图。

1）数据采集。采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标，采样速率一般要求大于200Hz（50ms）。

2）电池状态计算。包括电池组荷电状态（SOC）和电池组健康状态（SOH）两方面。SOC用来提示动力电池组剩余电量，用于估算车辆续驶里程；SOH用于预估可用寿命等健康状态参数。

3）能量管理。能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。

4）安全管理。监视电池电压、电流、温度是否超过正常范围，防止电池组过充过放。在对电池组进行整组监控的同时，多数电池管理系统已经发展到对极端单体电池进行过充、过放、过温等安全状态管理。

5）热管理。通过风扇等冷却系统和加热装置使电池温度处于正常工作范围内。在电池工作温度超高时进行冷却，低于适宜工作温度下限时进行电池加热，并在电池工作过程中总保持电池单体间温度均衡。热管理在大功率放电和高温条件下使用时尤为重要。

6）故障诊断与报警。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命；当电池组的温度过高、非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。

7）均衡控制。在电池组各个电池之间设置均衡电路，实施均衡控制，以保证各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。

8）通信功能。通过总线实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信，为充放电控制、整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。

9）人机接口。根据设计的需要设置显示信息以及控制按键、旋钮等。

某车辆动力电池管理系统的基本功能框图如图2-9所示。

动力电池管理系统的基本功能及描述见表2-7。

2. 动力电池管理系统的设计

电池管理系统的硬件电路通常可被分为两个功能模块，即电池监测回路（Battery Moni-toring Circuit，简称BMC）和电池组控制单元（Battery Control Unit，简称BCU）。

（1）BMC与各个单元电池之间的拓扑关系BMC与各个单元电池之间的拓扑关系包括1个BMC对应1个单元电池，如图2-10a所示，以及1个BMC对应多个单元电池，如图2-10b所示。

两种拓扑关系的优劣对比见表2-8。

（2）BCU与BMC之间的拓扑关系BCU与BMC之间的拓扑关系有以下三种：

1）BCU与BMC共板。对于动力电池的个数较少的情况，电池管理系统的规模较小，BCU与BMC可以设计在同一块电路板上，对车上的所有动力电池进行统一管理。在某种特殊的情况下，BCU和BMC的功能甚至可以合并到同一块集成电路芯片中完成。采用这种拓扑结构的电池管理系统成本较低，但不适用于电池数量较多、规模较大的车辆应用场合。

2）星形连接方式（图2-11）。相对于BCU与BMC共板的结构，其他的拓扑关系都属于BMC与BCU分离的方式，需要解决BMC与BCU之间的相互通信问题。其相互通信一般会采用特定的通信协议来进行。然而，通信总线的物理连接可以采用不同的拓扑结构组合。从外观上来看，BCU位于中央位置而每一个BMC模块均以线束与之相连，通常BCU中还带有一个总线集中模块，使得多个BMC能共享通信信道。星形连接方式的优点是：

便于进行介质访问控制。

某个BMC的退出或者故障不会对其他BMC的通信造成影响。

这种接方式的缺点在于：

通信线路的长度较长，难维护。

可扩展性差，受总线集中模块端口的限制，不能够随意地增加多个BMC单元。

3）总线型连接方式（图2-12）。BCU与BMC以总线型的方式进行连接，每块电路板都是通信总线的一部分，与前面的星形连接相比，用于通信信道的线材开销相对较少，连接方式更为灵活，可扩展性强。若电池组内需要增加电池及相应的BMC的数量，只需要增加一小段通信线材即可；反之，若某一个BMC需要退出整个系统，则只需要把相邻的通信线路稍作延长即可。总线型连接方式的缺点是通信线路的相互依赖性，即第 n块电路板要与BCU通信，需要利用前面 n -1块板子，若其中某一块电路板出故障，则后续的BMC与BCU之间的通信则会立即受到影响。

值得一提的是，无论采用星形或者是总线型的物理连接方式，都指的是其拓扑形式，而从通信网络的角度看，两种方式都存在介质访问竞争，BCU与BMC之间常用总线通信协议进行信息交互，需要进行隔离设计。

3. 动力电池状态监测的相关问题

（1）精度

1）电池电压。电池电压采集的精度需求，往往是与电压数据的服务对象相关的。如果电压数据是用于过压保护的，则磷酸铁锂电池的电压平台区在3.2～3.3V附近，而高压保护门限在3.6V以上，因此对电压采样的精度要求相对较低。在电池管理系统的各种功能中，对电压采集精度要求较高的，应该是SOC估算环节了。

电池的SOC与其电动势（近似可以理解为开路电压）之间存在着对应关系，可以根据电池的开路电压求得电池的SOC值。那么，在这种情况下，对电压采集精度的要求就可以转化为对SOC估算精度的要求了。以某款电池为例，△SOC=5%所对应的最小电动势差值为△EMF=0.0019V。由此可见，若系统要求SOC的评估误差要求小于5%，则电压监测的误差应小于0.0019V，即大概相当于2mV。在确定了电压采集的精度指标以后，就需要选择合适的电压采集方式和模/数转换器来实现了。

2）电池电流。相对于电压、温度等其他物理量，电流监测具有以下特点：

电流的采样通道少。在动力电池组中，由于电池个数多，电压和温度采样点较多；而多个动力电池往往串联使用，各电池的工作电流相同，基本上只需要对串联后的总电流进行监测，采样通道较少。

电流的采样频率高。电流的采样频率对于剩余电量的评估精度及系统安全性有着重要的影响。

可以从以下三个方面来确定电流监测的精度指标：

① 从安全性的角度考虑。为了保证车辆的安全，电池管理系统对充、放电电流设置门限，通过启动过流保护措施进行防护。一般设定的保护门限值要高于放电电流正常工作电流的最大值，因此即使电流监测存在一定的误差，也不会对过流保护功能造成过大的影响。

② 从仪表显示的角度考虑。因为车辆的工作电流通常较大，仪表显示的电流数值允许有较大的误差。但在车辆驻车状态下，应控制好仪表显示误差，以免误导驾驶员。

③ 从剩余电量评估的需求考虑。从剩余电量评估的需求所考虑的电流监测精度更需要侧重于考虑其相对误差。在电流采样频率足够高（满足奈奎斯特采样定理）的前提下，利用电流积分法（称电荷累积法或者CC法）来评估剩余电量的精度直接取决于电流监测的精度。例如，在过去的1小时内，电流监测的平均相对误差为5%。那么，利用电流积分所估算的在过去1小时内所消耗的电量的误差也是5%。若电流监测存在系统误差，即固定地偏大或偏小，所估算的电量消耗值也会相应地偏大或偏小。

3）温度。温度测量的误差会影响剩余电量评估的准确度，应尽量保证良好的冷却效果。

（2）时延问题 在电池状态监测的问题上，状态信息的采集环节、信息的传递环节、信息的处理环节总会或多或少地存在着时延。造成状态信息时延的因素包括电池监测回路（BMC）的信息采集环节、通信网络的信息传递环节及电池控制单元（BCU）的信息处理环节。

1）BMC造成的时延。BMC是与所采集的物理量最接近的芯片及辅助电路，根据不同的应用场合前端芯片可以是单片机、模数转换器及某些专为电池管理系统而设计的芯片，把电池电压等模拟信号转成数字信息，造成时延的主要原因也就是模/数转换所需要的时间。通常对一个信号进行8bit的模/数转换大概需要100μs的时间，随着转换位数的增大，电压采集的时延随之增大。

2）通信网络造成的时延。如果电池管理系统中采用了总线网络来传递信息，那么，通信的控制方式以及通信波特率的设置等因素将造成通信网络的时延。如果通信总线里面还有其他节点，由于总线竞争而造成的时延将会更大。

3）BCU造成的时延。BCU内含有在电池管理系统中执行最高决策的芯片，包括安全管理、能量管理、均衡管理等功能均由主芯片负责实施。但在实际应用中，由于电池数量较多，位置分散，甚至需要分级管理，BCU与BMC之间存在协调问题，造成时延。

在电池状态监测的过程中，解决非实时与非同步问题的思路可以从必要性和可行性两个方面着手。就必要性而言，就是要根据不同应用场合的需求，分析信息延迟的可容忍范围，明确对状态数据监测的实时性、同步性的要求，确定设计指标。从可行性而言，根据设计指标的要求，综合成本、可靠性等因素来选择合适的拓扑结构、核心器件、网络参数等，进而得到一个合理的解决方案。比如，我们可以通过分析状态信号的特征，选择采样频率；也可以根据不同需求，对电流、电压、温度等不同的指标设定不同的采样频率。

（3）隔离问题 对于多电池检测的电路必须考虑通信隔离问题，原因在于两个方面：首先，检测电路由动力电池的局部供电，各个局部之间串接而非共地，但通信总线一般要求共地接法，因此存在矛盾；其次，检测电路与动力电池相连，而动力电池在工作过程中电压非恒定，若直接与通信总线连接，将会对通信线路形成干扰。

目前通信隔离的常用手段是光隔离，也就是两个电路在线路连接上断开，只用光耦合器把信息从一个电路耦合到另外一个电路上。当然，为了实现双工通信，一般需要为每个通信单元配置两个光耦合器。随着技术的发展，解决通信隔离问题的手段也越来越丰富多样。有些单片机芯片有自带的CAN总线控制模块或支持其他总线协议的通信控制模块，甚至自带有光隔离模块。而且，除光隔离以外，还有其他多种方式来实现通信隔离。

4. 动力电池均衡控制管理

为了平衡电池组中单体电池的容量和能量差异，提高电池组的能量利用率，在电池组的充放电过程中需要使用均衡电路。动力电池的能量控制管理包括充电控制管理、放电控制管理以及电池的均衡控制管理，有助于提升电池组的整体容量和控制动力电池的充放电深度。能量控制管理功能的好坏体现出动力电池管理系统的水平。

（1）动力电池均衡控制管理的难点

1）单体电池的荷电状态SOC的评估。过去某些简单的电池均衡算法往往以电池的电压作为均衡依据，即认为电压较高的电池需要失去电荷，电压较低的电池需要补充电荷。而实际上，电池均衡的最佳依据应该是电池的剩余电量或荷电状态。电压的监测和判断较为简单，但电池的剩余电量或荷电状态的评估却相对困难。

2）单体电池容量的获取。要获取单体电池的容量，其困难在于以下两个方面：

① 电池容量受SOH的影响。一般来说，电池一旦装车使用，其性能会不断衰减，有效容量不断减少。然而，每个电池的有效容量均有差异，要获得其SOH的值，必须要对每个电池单独进行一次充满并马上进行放空，对于已经装车使用的电池，这样的评估难以经常对每个电池单独进行。

② 实际的容量受运行工况限制。即使能知道每个单体电池的SOH，由于难以预计车辆的运行工况，电池实际的有效容量难以获取。

（2）动力电池均衡控制管理的方法

1）集中式均衡与分布式均衡。按均衡电路的拓扑结构分类，可以分为集中式均衡方案和分布式均衡方案。集中式均衡方案是指整个电池组共用一个均衡器，通过逆变分压等技术对电池组能量进行分配，以实现单体电池与电池组之间的能量均衡。而分布式均衡方案中，均衡模块是由个别电池所专用。图2-13所示为一个典型的集中式均衡拓扑结构。该结构中，电池组内所有的电池都可以利用同一个均衡器（均衡电容）进行均衡操作。

图2-14为一种典型的分布式电池均衡拓扑结构。该结构通过在每个电池上并联一个旁路电阻，并利用一个电子开关控制均衡操作。

比较以上两种均衡方式，集中式均衡方案能迅速地集整个电池组之力为待均衡的个别电池转移能量，所配置的公用均衡器的性能较好，故均衡速度较快，而且从整体来说，集中式的均衡模块的体积也比分布式的（总和）更小；然而，集中式均衡方案中，各个电池之间形成竞争关系，多个电池的均衡操作不能并行，而且各电池与均衡器之间需要大量的线束连接。可见，集中式均衡方案不太适用于电池数量较多的电池组。

2）放电均衡、充电均衡与双向均衡。按照均衡的作用过程不同，可以将均衡控制管理分为放电均衡、充电均衡和双向均衡。放电均衡方式是指在放电过程中实现各单体电池间的均衡，以保证放电过程中能够将电池组中每个电池的剩余容量放至0，而不会出现有的电池已放电完全而有的电池尚有电量的情况。放电完全之后，用恒定电流以串联充电的方式对电池组进行充电，直到电池组中有任何一个电池的剩余容量达到100%时结束充电。整个过程如图2-15所示。

可以看出，放电均衡方式可以保证每一次充进电池的电量都可以完全释放出来。但在充电过程中，根据“短板原理”，只能以最小容量的电池为截止上限。在充电过程中就并不能完全利用电池组的容量。

放电均衡的缺点是能量损耗过多，不便于在任何时候都开始进行（例如在电池剩余容量还比较多的情况下，进行放电均衡代价过大）；而且，放电均衡需要把电池剩余容量放空，从而增大了放电深度，有可能影响电池的循环寿命。

充电均衡方式是指在充电过程中采用上对齐均衡充电方式实现各个单体电池间的均衡，以保证充电过程中能够将电池组中每个电池的容量都充至100%，如图2-16所示。

充电均衡方式可以保证每一个单体电池的实际容量在充电过程中都发挥出功效。但充电均衡方式对放电过程没有做任何控制，其放电过程遵循木桶原理，整个电池组的放电容量取决于容量最小的电池。与放电均衡相反，充电均衡对于在电池组处于任何荷电状态前提下都适用。

双向均衡方案则是综合了放电均衡方案和充电均衡方案两者的优点，在充电和放电过程中都引入均衡控制，这样既能保证每一个电池都能放电到SOC下限，又能保证每一个电池都充电到SOC为100%。由于加入了放电均衡过程，这种方案同样存在能量损耗过多，容易损害电池等问题。但这种方法有利于评估电池最大容量，可用于电池健康状况诊断。

（3）耗散型均衡与非耗散型均衡 按照在均衡过程中是否努力尝试对电池组的能量进行保护，可以将均衡控制方案分为耗散型均衡和非耗散型均衡两种。

1）耗散型均衡。耗散型均衡方案指利用并联电阻等方式将电池组中荷电状态较多的电池的能量消耗掉，直到与组内其他电池达到均衡。该方法的实现过程如下：定时检测各个单体电池的电压，当某些单体电池的电压超过电池组平均电压时，接通这些高能电池的并联电阻，使它们的一部分能量消耗在并联电阻上，直到它们的电压值等于电池组平均电压。

耗散型均衡方案控制逻辑简单，硬件上容易实现，成本较低，是早期均衡控制最常用的方案。但是，这种方法以消耗电池组的部分能量为实施手段，均衡过程一般在充电过程中完成，对容量低的单体电池不能补充电量，存在能量浪费和增加热管理系统负荷的问题，对于车辆而言，存在通风不好导致过热的安全隐患。

能量耗散型均衡充电电路一般又分恒定分流电阻均衡充电电路、开关控制分流电阻均衡充电电路两类，其优缺点见表2-9。

2）非耗散型均衡。非耗散型均衡（也称作无损均衡）利用中间储能元件和一系列的开关元件，将电池组中荷电状态较高的电池的能量转移到荷电状态较低的电池中去，以达到均衡目的。无损均衡方案用到的中间储能元件一般有电容和电感两种。无损均衡正好可以弥补耗散型均衡的缺点，但它也存在着控制逻辑电路复杂等方面的缺点，且由于器件损耗，非耗散型均衡并不能做到真正的无损。

非能量耗散型电路的耗能相对于能量耗散型电路小很多，但电路结构相对复杂，可分为以下两种方式：

① 能量转换式均衡。能量转换式均衡是通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。其中单体能量向整体能量转换，一般都是在电池组充电过程中进行。该电路是通过检测各个单体电池的电压值，当单体电池电压达到一定值时，均衡模块开始工作，把单体电池中的充电电流进行分流从而降低充电电压，分出的电流经模块转换把能量反馈回充电总线，达到均衡的目的。还有的能量转换式均衡可以通过续流电感，完成单体到电池组的能量转换。

电池组整体能量向单体转换也称为补充式均衡，即在充电过程首先通过主充电模块对电池组进行充电，电压检测电路对每个单体电池进行监控。当任一单体电池的电压过高，主充电电路就会关闭，然后补充式均衡充电模块开始对电池组充电。通过优化设计，均衡模块中充电电压经过一个独立的DC/DC变换器和一个同轴线圈变压器，给每个单体电池上增加相同的次绕组。这样，单体电压高的电池从辅助充电电路上得到的能量少，而单体电压低的电池从辅助充电器上得到的能量多，从而达到均衡的目的。

此方式的问题在于次绕组的一致性难以控制，即使副边绕组匝数完全相同，考虑到变压器漏感以及副边绕组之间的互感，单体电池也不一定获得相同的充电电压。同时，同轴线圈也存在一定的能量耗散，只对充电起均衡作用，对放电均衡不起作用。

② 能量转移式均衡。能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。该电路是通过切换电容开关传递相邻电池间的能量，将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池，从而达到均衡的目的。另外，也可以通过电感储能的方式，对相邻电池间进行双向传递。此电路的能量损耗很小，但是均衡过程中必须有多次传输，均衡时间长，不适于多串的电池组。改进的电容开关均衡方式，可通过选择最高电压单体与最低电压单体电池间进行能量转移，从而使均衡速度加快。能量转移式均衡中能量的判断以及开关电路的实现较困难。

除上述均衡方法外，在充电应用过程中，还可采用涓流充电的方式实现电池的均衡，不需要外加任何辅助电路。由于充电电流很小，过充对满充电池所带来的影响并不严重。由于已经充饱的电池没办法将更多的电能转换成化学能，多余的能量将会转化成热量。而对于没有充饱的电池，却能继续接收电能，直至到达满充点。但这种方法需要很长的均衡充电时间，且消耗相当大的能量来达到均衡。

2.2.4 动力电池相关关键技术

1. 动力电池SOC评估

SOC是防止动力电池过充和过放的主要依据。在新能源轨道车辆中，准确估算蓄电池SOC可有效利用和保护动力电池，保证电池组的使用寿命，提高整车性能，提高经济性。动力电池SOC评估方法有以下三种。

（1）电荷累积法 电荷累积法（Coulomb counting Method，简称为CC法）又称容量积分法，是预先知道上一时刻电池剩余电量状态，并对一段时间内动力电池充入、放出的电荷进行统计，从而得到当前电池荷电状态的一种方法。

假设上一时刻t₁电池的剩余电量为，当前时刻t₂电池的剩余电量为，从t₁到t₂期间电池充入、放出的累计电量为

那么

式（2-7）中，i（t）可以取正也可以取负，当i（t）＞0时，表示电池在放电，当i（t）＜0时，则表示电池在充电。

同理，在式（2-8）中，若，表示在t₁到t₂这段时间内，总体而言电池放出电量多于充入电量，反之，若，则表示在t₁到t₂这段时间内，总体而言电池充入的电量多于放出的电量。

通过式（2-8）求得后，可以进一步通过比例运算求得此时的SOC值（%）。

然而，电荷累积法存在以下三个问题：

1）对初始值的依赖性。事实上，电荷累积法只能解决一段时间内电量变化的情况，而我们最终关心的是电池的剩余电量，这依赖于的准确性。若初始值存在误差，则没有办法对其进行修正。

2）累积误差的问题。由于电流传感器精度不足、采样频率低、信号受干扰等原因，用于积分的电流i（t）与真实值相比存在一定的误差，多次循环之后会出现一些误差积累。目前的校正方法大多利用电池组电压来校正因电流积分导致的累积误差。通过电池组放电到放电终止电压时，无论SOC值为多少都置为0，这样可以避免长时间积分的累积误差。有的在电池组静态时采用电压法来校正SOC，而在工作时用电流积分的方法。然而由于电压和容量的对应关系，受到了温度和放电电流大小的影响，且电池组的电压和容量的对应关系，受电池组均衡性的影响较大，仅仅通过电压校正的方法也需要作进一步的改进。另一种较为有效的校正方法就是把电池充至饱满或将电池的剩余电量全部放光。当然，这种方法会减少电池的循环使用寿命，实用性不强。

3）不能应对电池的自放电问题。几乎所有的二次电池都存在自放电问题，即电池中的电荷以极其慢的速度放出来。电荷累积法对于这种现象几乎是无能为力的，其原因在于：自放电的等效电流很小，一般的电流传感器无法准确测量；相当一部分自放电电流并不走工作电流的回路，设置在工作电流回路中的传感器自然检测不到自放电电流；自放电可能发生在电池管理系统不工作的情况下，例如汽车“熄火”以后闲置在车库里，此时BMS并不需要工作，自然也无法监测电池的自放电情况。

（2）开路电压法 开路电压法（Open-Circuit Voltage method）简称OCV法，就是当电池既不处于充电状态，也不处于放电状态，即工作电流为0的情况下，通过测量动力电池的开路电压（OCV）来估算电池的SOC。使用开路电压法一般基于以下三个前提：

1）SOC与电池的电动势（EMF）有一一对应关系，即给出0～100%之间的任意一个SOC值，存在唯一的一个电动势（EMF）值与之对应。

2）在工作电流为0的情况下，开路电压（OCV）与电池电动势（EMF）相等。

3）不考虑温度及电池老化程度等因素，即认为在不同的温度条件下，不同老化程度的电池具有相同的SOC-EMF曲线。

由电池的工作特性可知，电池组的开路电压和电池的剩余容量存在着一定的对应关系。随着放电电池容量的增加，电池的开路电压降低。由此可以根据一定的充放电倍率时电池组的开路电压和SOC的对应曲线，通过测量电池组开路电压的大小，插值估算出电池SOC的值。

该方法简单易行，但不同充放电倍率时电池组的电压不一致，因此在电流波动比较大的场合，这种计量方式将失去意义。开路电压法对单体电池的估计要优于电池组，当电池组中出现的单体电池不均衡，会导致电池组的容量低时电压会很高，因此该方法不适合于个体差异大的电池组。然而，开路电压法也存在着许多不足，在电池正常工作时不能使用，而需要等到电池停止工作一段时间后才能使用。

（3）一种折中的方法 由于电荷累积法和开路电压法的优缺点存在明显的互补性，有学者又提出一种折中方法：当电池处于工作状态（工作电流大于设定的门限值）时，用电荷累积法实时更新SOC值，同时，为了消除电荷累积法的累积误差，并解决电荷累积法的初始SOC评估问题，在电池系统每次起动时，或电池组存在短暂不工作的时期，利用开路电压法对SOC进行校准。

该方法能够在一定程度上弥补电荷累积法存在的不足，如每隔一段时间消除累积误差，并解决了电池应用长期静置不用后SOC的初值问题、自放电问题等。同时，该方法也解决了电荷累积法无法在电池组正常工作时估算SOC值的问题。

这种折中的方法在实际的BMS系统中得到了广泛的应用。但该方法并不能解决开路电压法本身所存在的不足，例如电流为零问题、电压滞回效应以及EMF受温度和使用历史影响等问题。因此，对SOC评估算法的改进依然是一个值得研究的课题。

动力电池SOC评估的难点在于：

1）电池状态监测不准确对评估造成的困难。剩余电量并非一个可以直接测量的值，而需要通过电压、电流等状态量的测量值来进行间接估算，电池状态监测环节的误差是不可避免的，因此，电池剩余电量评估的误差也是不可避免的。电池状态监测的不准确性主要表现在由传感器精度引起的状态监测不准确，以及由电磁干扰引起的状态监测的不准确。

2）电池的不一致性对评估造成的困难。动力电池在制造过程中，由于材料、工艺等各方面的差异，导致不同批次的电池之间，甚至同一批次的不同电池之间存在较大的差异性，这样的差异对电池剩余容量的评估造成了一定困难。

3）运行工况的不确定性对评估造成的困难。在车辆工作过程中，工况可能是千变万化的。驾驶员无法预知下一时刻的工作状况，这对剩余电量或SOC的评估造成了一定的困难：受多种因素影响，剩余电量并不能完全释放；在剩余电量一定的前提下，电池组实际可以放出的能量是不一样的。

2. 提高动力电池一致性的措施

电池组的一致性指同一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。电池组的一致性是相对的，不一致性是绝对的。为提高电池组的利用效率和性价比，在应用过程中，需要采取一定的措施，减缓电池不一致性扩大的趋势或速度。根据动力电池应用经验和试验研究，为保证电池组寿命逐步趋于单体电池的使用寿命，常采用如下措施：

1）提高电池制造工艺水平，保证电池出厂质量，尤其是初始电压的一致性。同一批次电池出厂前，以电压、内阻及电池化成数据为标准进行参数相关性分析，筛选相关性良好的电池，以此来保证同批电池的性能尽可能一致。

2）在动力电池成组时，务必保证电池组采用同一类型、同一规格、同一型号的电池。

3）在电池组使用过程中检测单体电池参数，尤其是动、静态情况下（车辆停驶或行驶过程中）的电压分布情况，掌握电池组中单体电池不一致性发展规律，对极端参数电池及时进行调整或更换，以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大。

4）对使用中发现的容量偏低的电池，进行单独维护性充电，使其性能恢复。

5）间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电，促进电池组自身的均衡和性能恢复。

6）尽量避免电池过充电，尽量防止电池深度放电。

7）保证电池组良好的使用环境，尽量保证电池组温度场均匀，减小振动，避免水、尘土等污染电池极柱。

8）采用电池组均衡系统，对电池组充放电进行智能管理。

3. 动力电池梯次利用

动力电池梯次利用指当动力电池不能满足现有电动车辆的功率和能量需求时，继续将其转移应用到对动力电池能量密度、功率密度要求低一个等级的其他领域，通过电池在不同性能需求领域的传递使用，实现动力电池性能充分利用和在动态应用中报废，以降低电池使用成本的目标。动力电池经过一定的充放电循环后，电池容量衰退到本梯次应用的最小容忍值，可转移应用为下一梯次车辆作为动力源。以100A·h锂离子动力电池单体为例，可将应用梯次依据容量划分为四个梯次，见表2-10。

电池梯次利用理论研究处于刚刚起步阶段，其关键技术包括：

1）电池梯次分类的判定技术。

2）应用于多级转运的电池组的模块化。

3）标准化设计技术。

4）在管理上梯次利用供应链的形成机制。

2016年底，工信部发布动力电池回收利用管理办法征求意见稿，落实生产者责任延伸制度，汽车生产企业承担动力电池回收利用主体责任。工信部同有关部门研究制定财税优惠、产业基金、积分管理等激励政策，研究探索动力电池残值交易等市场化模式，促进动力电池回收利用。预计到2020年，我国车载动力电池累计报废量将达到12～17万吨，潜在市场空间较大。同时，随着锂电原材料价格的上涨，锂电回收已具备较强经济性，有利于相关公司进行业务布局。我国动力电池的标准体系不断完善，仅2017年就出台了电池规格尺寸、编码制度和拆解规范等相关国家标准，为动力电池的梯次利用包括用于储能提供了有力支撑。

2.2.5 国内外产品

目前全球锂电池的主要生产国为中国、日本及韩国。凭借产业优势和技术积累，松下、LG化学、三星SDI目前仍是锂电池领域三大巨头。据统计，2017年一季度全球动力电池出货量5273MW·h，其中三巨头总计占比达62%。松下采用高镍三元路线，封装以圆柱形为主，其圆柱形电池能量密度世界领先，与特斯拉保持良好的合作关系，是动力电池行业的领导者；LG化学起步稍晚，电池正极主要是三元NCM，是海内外公认的软包龙头，拥有众多优质客户，包括现代、通用、雷诺、日产等，是动力电池行业的后起之秀；三星长期立足消费类锂电的研发生产，技术积累深厚，以发展大容量方形硬壳电池为主。近年来国内CATL、比亚迪、国轩等企业也相继完成了各自技术路线的初步探索，在产能规模上成为日韩动力电池巨头有力的挑战者。

1. 国外产品及厂家

（1）松下锂电池 松下电器产业株式会社创建于1918年，于1994年开始研发可充电锂电池。1998年松下开始量产笔记本电脑专用的圆柱形锂电池，并建成了业内领先的锂离子电池生产线。2008年11月，松下宣布与三洋电机合并，一跃成为全球最大的锂电池供应商。随着新能源汽车的兴起，2008年，松下生产的18650钴酸锂电池被特斯拉首款车型Roadster采纳，成为特斯拉最主要的动力电池供应商。松下动力电池正极使用的是高镍三元材料，电芯封装以圆柱形为主。圆柱的优点包括生产工艺成熟，产品良率高，有如18650、21700等统一规格型号，整体成本有优势。同时，其缺点也比较明显，圆柱形电池一般采用钢壳或铝壳封装，重量较大，比能量相对较低。目前，松下绝大部分动力电池供给特斯拉。Model S和Model X使用的是18650圆柱形电池，最新一代18650电池正极采用NCA材料，负极使用硅碳复合材料，单体能量密度可达250W·h/kg。Model 3使用的21700圆柱形电池，单体能量密度提高到340W·h/kg，是目前市面上单体能量密度最高的电池。

（2）东芝钛酸锂电池 东芝钛酸锂电池的负极材料中采用钛酸锂（LTO）。东芝动力锂电池以高安全性为基础，具有充放电寿命高、输出功率高、充放电时间短、低温特性出色等特点。东芝的钛酸锂电池包括了功率型电池2.9A·h、10A·h和能量型电池20A·h、23A·h。其中，2.9A·h电池在35℃下，SOC范围20%～80%的条件下，10C充电/10C放电的循环寿命高达40000次以上，10A·h电池在5C充电/5C放电条件下，循环20000次以后容量保持率还在90%以上，20A·h电池在3C的充放电电流下，循环寿命可以保持在15000次以上（容量保持率＞80%）。该公司目前正在积极开发以150W·h/kg能量密度为目标的单元。

（3）LG动力锂电池LG化学隶属于韩国三大集团之一LG集团，1998年开始研发锂离子电池，目前已可从Cell、模块、BMS、Pack开发到技术支持，提供与动力电池相关的全部产品组合。2016年动力电池出货量达到7.3GW·h。在技术上，LG化学主要采用三元NCM正极材料和叠片式软包设计，是海内外公认的软包龙头企业。软包锂电池所用的关键材料，包括正极材料、负极材料及隔膜，与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大，最大的不同之处在于软包装材料（铝塑复合膜），其优势在于：

1）安全性能好。软包电池在结构上采用铝塑膜包装，发生安全问题时，软包电池一般会鼓气裂开，不会爆炸。

2）重量轻。软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%，较铝壳锂电池轻20%。

3）内阻小。软包电池的内阻较锂电池小，可以极大地降低电池的自耗电。

4）循环性能好。软包电池的循环寿命更长，100次循环衰减比铝壳少4%～7%。

5）设计灵活。外形可设计为任意形状，可以更薄，可根据客户的需求定制，开发新的电芯型号。

软包电池的不足之处是一致性较差，成本较高，易发生漏液，技术门槛高。

（4）三星SDI电池2015年5月，三星SDI100%收购MagnaSteyr从事电池业务的子公司MSBS，从此三星SDI构建起从电池单元、模块到电池组完整的车载电池业务体系。在全球小型消费锂电池市场中，三星SDI独占鳌头。但在动力电池领域，相比松下和LG化学，三星SDI无论营业收入还是动力电池出货量都显得稍逊一筹。与松下、LG化学不同，三星SDI动力电池封装形式以方形为主，同时积极跟进21700电池的生产，正极材料主要采用三元NCM和NCA材料。采用这种技术能够生产大容量单体电池。此外，方形电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料，内部采用卷绕式或叠片式工艺，对电芯的保护作用优于铝塑膜电池（即软包电池），电芯安全性相对圆柱形电池也有了较大改善。方形电池的不足之处在于型号太多，工艺难以统一。

（5）SAFT电池SAFT公司是世界领先的电池供应商，在可再生能源储存、运输和电信网络市场占有一定份额。2013年第二季度交付铁路混合动力电池和叉车电池，2015年开始给欧洲主要商用车厂商供应电池组。

2. 国内产品及厂家

（1）CATL动力锂电池CATL成立于2011年，总部位于福建宁德，2015年宁德时代新能源完成股权变更，成为全中资公司。公司研发生产锂离子电池、电池模组、电池系统、动力总成、大型电网储能系统、智能电网储能系统、分布式家庭储能系统及电池管理系统（BMS）。

（2）比亚迪动力锂电池 比亚迪锂电池的研发和生产主要集中在比亚迪锂电池有限公司，该公司是比亚迪全资子公司。比亚迪在2003年就开始了车用动力锂电池的研究和开发工作。比亚迪新能源产业涉及矿产、电池材料（六氟磷酸锂、隔膜、电解液、正极材料）、锂电池、车辆等领域，打通了上游矿产资源到下游整车全产业链，实现产业链闭环，生产基地包括广东惠州、广东深圳、青海西宁。

（3）合肥国轩动力锂电池 合肥国轩高科动力能源股份公司是一家专业从事新型锂电池及其材料的研发、生产和经营，拥有自主知识产权核心技术的大型高新技术企业。公司成立于2006年5月，2012年11月改制为股份公司，截至2017年2月13日，总市值272亿元。公司位于安徽省合肥市新站区瑶海工业园，占地120余亩，总建筑面积10万余平方米，注册资金1.8亿元。公司生产的磷酸铁锂正极材料、BMS管理系统以及储能型和功率型铁锂电池等十多个系列产品已在新能源汽车、电动自行车、风光互补路灯、大型储能基站等战略性新兴产业领域得到广泛应用。生产基地包括安徽合肥、山东青岛、江苏昆山、江苏南京、河北唐山、四川成都等。

（4）天津力神动力锂电池 天津力神电池股份有限公司成立于1997年，是一家拥有自主知识产权核心技术的，专业从事锂电池技术研发、生产和经营的股份制高新技术企业。产品包括软包电池、圆柱电池、方形铝壳电池。软包电池主要针对数码市场，圆柱电池则应用于数码、动力市场，方形电池应用于动力市场。生产基地包括天津、山东青岛、江苏苏州、四川绵阳等地，规划到2020年产能达到20GW·h。

（5）天津普兰纳米钛酸锂电池公司成立于2009年，是全国首家专业致力于石墨烯基超级电容、钛酸锂电池的研发、生产和应用的高科技企业，目前在石墨烯和纳米电极材料的应用领域，如锂电池和超级电容等，处于国际领先水平。公司积20余年在碳纳米和绿色能源领域的研究经验和成果，系统地解决了传统锂电安全性低、循环性差、充放电慢等问题，为客户提供完整的绿色储能和新能源动力系统解决方案。