大电流主动均衡技术是颠覆创新吗?

吴粤滨

电池系统成组技术是一个不断演变的过程,从早期的铅酸电池组到当下主流的锂电池组;从单体应用到多个成组应用;从消费类电子产品到动力电池系统,电池成组技术也随着电池的广泛应用而不断发展。同时,各国的研究人员一直不断地探索,寻找锂电池成组技术的终极解决方案———大电流主动均衡技术。(本文基于我们多年来对三元电池成组技术的研究结果,文中所述电池特指三元类电池)

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1.从铅酸电池到锂电池的成组技术演变

我们回顾一下以传统铅酸电池为动力的低速车的成组技术,通常的方法是,把多个电池堆砌在一个金属箱中,电池之间相连,然后引出动力正负极接口,整个电池包就完成了。

锂电池成组技术能否参照铅酸电池的成组方法?

我们知道锂电池既不能过度充电,也不能过度放电;充电时,必须工作在一个允许的温度区间,放电时,也必须工作在一个允许的温度区间。

很显然,锂电池的成组技术不能采用铅酸电池的成组方法,或者说使用锂电池成组必须符合一定的条件。

2.从单体消费电子到大容量电池系统的成组技术演变

由于锂电池技术的快速发展,以及单体性能和安全性的提升,锂电池的应用领域已经从小容量的消费电子产品向大容量的储能系统和动力电池系统发展。

如何管理好电池系统已经成为锂电池广泛应用的前提,锂电池成组技术就由此而生,而负责电池管理的部分(简称BMS)是一个全新的技术,它要确保工作条件符合锂电池的特性,更要确保电池系统的安全。

在锂电池成组技术中,最重要的是BMS,它是电池系统的“大脑”,它像“管家”一样,包揽所有的工作,从监控每一级电池的物理变量,环境温度,到系统级的电池包性能估计,在线诊断与预警,充、放电与预充控制,热/冷管理等。

大电流主动均衡技术是BMS中最核心的技术,它需要解决的是电池系统在使用过程中衰减的问题,也就是要确保续航里程稳定及可预测的问题,显然,这时一个用户可以亲身感受并做出客观评价的事件,真实的续航里程是赢得用户的方法。

3.大电流主动均衡技术是电池成组技术的终极解决方案

在锂电池成组技术的发展过程中,BMS的基本技术(包括:电池的监控技术和系统的控制策略)已经非常成熟了,可以满足锂电池系统的基本要求。

但是,电池系统衰减的问题没有得到解决,现有的方法是,为了保证一定的续航里程,不得不增加电池系统的容量,而增加电池容量又将导致车重增加,反过来又影响续航里程,这就是所谓的“大马拉小车”方法。

显然,解决电池系统衰减的方法是非常明确的,应该提高电池系统的输入和输出效率,而不是增加电池的容量,同时要保证输入和输出效率稳定在一个高水平上,以保证续航里程稳定及可预测。

这个策略意味着电池系统必须对使用过程中电池的一致性进行干预,防止一致性失控,通过大电流主动均衡技术确保电池系统中电池的一致性,防止一致性失控,这就是为什么大电流主动均衡技术被称为BMS系统的“明珠”。

4.大电流主动均衡技术似乎正在成为技术创新的“黑洞”

大电流主动均衡技术涉及到两个关键领域:一个是电能载体的选择,另一个是电能转移的控制技术。

世界各国的相关企业和许多大学都曾经对常用的电能载体(包括:电容和超级电容、电感和变压器)和电能转移方法(如:DC/DC)进行了深度的研究,并没有突破性进展。

在技术方面的缺点,难以实现大电流转移、电能载体物理尺寸过大、连接复杂以及稳定性无法保证;在产品化方面的缺点,成本高昂,提高效率的成本远大于增加电池容量的成本。

电能转移控制技术是所有技术中最困难的部分,主要原因:

在电池的使用过程中,电池的一致性劣化是随机的,它与许多因素有关(包括:生产的一致性、使用环境、充放电强度、瞬间放电等);同时,电能转移的路径也是随机的,均衡控制系统就非常复杂,必须具有高度的适应性和灵活性,大电流主动均衡技术的复杂性不言而喻。

大电流主动均衡作为全球性的技术难题,各国产业界和学术界已经研究多年,并投入了巨大的资金。到目前为止,在国际上还没有取得任何技术性突破性,更无法进行商业化进程,所有的投入似乎掉进了一个“黑洞”,而且看不到任何技术突破的希望,这是非常令人沮丧的。

5.颠覆性的创新技术已经出现

主动均衡技术的创新面临不可逾越的困难,大量研发投入所产生的“黑洞”现象让许多企业放弃了继续研发的可能。

在技术发展方向上,行业内的研发人员无法抛开现有的主动均衡技术基础,也就不可能产生颠覆性的创新技术,这也是多年来,主动均衡技术没有突破的原因之一。

一个非常有趣的现象,颠覆性的创新技术可能来源于跨行业者,或者产生于小的创新公司,特别是专注于非常狭窄的技术领域的研究人员。大电流主动均衡技术的突破,也是这个现象的重现,也再次验证:颠覆性的创新技术一定来自不受约束的创新者。


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