一段时间以来只要赶上雾霾天，“细颗粒物”逼着家家不敢开窗时，北京市民就难免会萌起对政府大力扶持新能源汽车的殷切期盼。更何况电动汽车已经成了当下的“热词”，但电动汽车须用锂动力电池提供动力源，国人们可能还是会相知甚少。其实这并不奇怪，人们更关心的是新能源汽车何时能真正商用化运作且上路跑，而对于用什么能源作动力的关心似乎还须一个“慢热”的过程。
一、从新能源汽车发展的怪圈说起
的确，新能源汽车承载了太多的低碳效应，节能减排，改善环境的重托，尤其是成为替代能源中最具有应用价值的“明星范儿”现身国际舞台，不断吸引着国人的眼球。
此话题还要从2008年北京成功举办奥运会说起，五十台电动大巴车在奥运会的精彩亮相极大地鼓舞了国人的“电动汽车梦”。国人为专家们大谈新能源汽车的“同一起跑线”和“弯道超车”折腰；以至于国家政策扶持的“十城千辆”等示范工程；抑或是国家电网为新能源汽车运营而大兴土木跑马占荒式的充、换电站的抢先建设，都在不同程度上传达给国人们一个非常清晰且欣喜的信号，新能源时代真的要来到了。
可现实往往总是会捉弄人，到头来令国人们最不愿看到的一幕还是出现了。据中汽协官方网站不完全统计，2011年新能源汽车产销量分别为8368辆和8159辆；2012年新能源汽车产销量分别为12552辆和12791辆；两年相比虽产销数据略有增长，但距离国务院2012年7月9日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》中规划的“到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆”的目标仍相去甚远。新能源汽车时代并不如人们所想象中的那样犹如少女般光鲜亮丽的如期到来，先期兴建的大量充电站及充电桩闲置在那似乎无“车”问津，大批的融投资商由初期的蜂拥而至到现今的“门可罗雀”，国家及地方航母级的新能源汽车产业联盟如雨后春笋般的初露头角便悄无声息，一股股寒流不断地冲击着新能源汽车的前进步伐。如此“大跃进”意义的新能源汽车的高潮由兴到衰，不能不给人们以太多的警醒。
二、电动汽车与燃油车之PK
新能源汽车的市场化进程一路坎坷，问题究竟出在哪里？人们迫切的在追寻答案，悬念似乎还是要从新能源汽车所定义的“新能源”说起，其实人们所提及的车用新能源，主要是说用于电动汽车的“动力电池”及与其密切相关的“BMS”。
说起动力电池其实人们并不陌生，早在上世纪1842年世界上就诞生了第一台以不可充电电池为动力的电动汽车，它的问世甚至要早于以石油的衍生品——汽油燃料为动力的汽油车（1887年）。石油时代的到来，并没有给电动汽车的成长带来太多的发展契机，当时的电动汽车以采用传统电池为主的“笨重”败给了后来居上的汽油车。汽车文化的普及更给燃油车添上了起飞的翅膀。目前几乎世界上所有的动力机械都离不开以石油为燃料做动力源的身影。汽油的比能量高、转换效率高、使用便捷，用在汽车等动力机械上几乎无可匹敌。但同时另一个问题不可避免的出现了，仅仅一百多年的石油史，随着人类贪婪且过度的开采利用，造成了石油资源似乎也要离人类渐渐远去。随着石油资源的日渐枯竭，“梦魇”中的石油危机似乎就在面前。同时城市交通所带来的道路拥挤和汽车所带来的汽车尾气污染，带给人们以各种呼吸道疾病，并随之带来的大气污染所造成的全球性的温室效应。
人类呼吁低碳，呼吁环保，呼吁节能，呼吁绿色能源，也给新能源汽车带来了新的发展良机，新能源汽车作为此商机的最大受益者即将形成新的的市场拉动力，面对新能源汽车技术路线和技术创新的重大变革，用以适应市场化的新需求，人们在翘首以待。
三、锂动力电池的安全和寿命
以能量型动力锂离子电池（锂动力电池）为突出代表的新能源汽车的新型动力源在世纪初问世了。做为新能源时代的能量载体可谓应运而生，以其相对于传统铅酸电池体积更小、重量更轻、比能量比功率更高、循环寿命更长，可高倍率充\放电等突出特点，迅速成为了新能源汽车的首选。
从客观事物的发展分析，事物总是一分为二的，锂动力电池也不例外，在给人们带来更多欣喜的同时，其安全性相对于传统电池偏弱的特点也逐渐暴露出来，近年来见诸媒体报端的多起电动车燃烧事故，以及今年1月16日发生的日本全日空航空公司一架波音787客机舱内锂电池着火事件似乎给人们带来了些许苦涩的味道。人们不断在追问锂动力电池电动车到底安不安全？因此如何评价并解决电动车的安全性成为了对锂动力电池应用的必要条件。当然随着技术的进步以及锂动力电池安全标准的出台，这个令人苦恼的问题似乎已经在各方的努力下有了质的改进，从客观上分析，锂动力电池自身的安全性目前已经有了大踏步的提高。
但一个更为令人难以破解的问题又摆在了世人的面前，电动汽车相对于汽油车仍面临着跑不快、跑不远、体积重量比大、价格贵等不利因素，仍在阻碍着其迅速发展。
尤其是各电池厂向用户承诺的千次以上的锂动力电池循环寿命也仅限于单体电池，而成组应用时寿命往往会大打折扣。究其原因之一，是因为电动汽车并不像手机电池那样是单只电池应用，而需要多只电池的串并联，但电池只要一成组应用，其“一致性趋减”的问题就凸显出来了，即使在电池出厂时一致性偏好的情况下，只要在电动汽车特有工况的环境（电池在电动车的摆放位置不同、温度场不同）下应用一段时间，因电池组串并联引起的的电化学特性的改变，电池串并联成组后的差异性就会显现，从而导致电池组中某一单体电池由于“过充电”或“过放电”等原因率先失效，形成“多米诺效应”，致使电池组综合性能下降和电池组被超限使用，势必影响了电池组的安全性和循环寿命。所谓的锂动力电池的长寿命因此被打上了大大的引号，这恰恰是人们最不愿看到的现象。
此问题得不到真正的解决将会极大的“拖住”新能源汽车产业化的前进步伐。
四、BMS是解决电池成组应用的关键
问题究竟出在哪呢？经过电化学专家学者及电池生产厂家大量的理论分析与实践，业界普遍认可的说法是“电池的串并联成组应用一致性的好坏”是问题的关键，其应用结果的好坏会直接导致电池成组应用寿命的下降。此结果的产生是由于电池本身的电化学特性使然，此现象应该是电池成组的必然特性不可避免。有解决此类“电池电化学成组一致性特性变差”问题的办法吗？
电池管理系统：一种系采用电子线路的办法来解决此类问题，业界习惯称为BMS的专为管理锂动力电池串并联成组应用的配套产品诞生了。
BMS既可以通过控制充电机和电机控制器的管理手段，来防止锂动力电池的“过充电”和“过放电”，解决人们担心的电池安全问题，我们简单的称其为“限两头”；又可以通过利用电池电化学“拐点”特性的合理管理策略来解决所谓的电池“长寿命”问题，可谓是一举两得。
经过几年来北京奥运会和上海世博会BMS在电动车上的示范运行，其作用目前已被业界广泛认可，更多的BMS参与电动车示范运行成功的典型案例也不胜枚举。
但有关BMS的技术论争从没停止过。由于锂动力电池种类品种繁多，国内各主流电池厂又各自为战，导致国内难以形成统一的技术标准，（在此值得一提的是小型卷绕式圆柱电池，国内外的外形尺寸技术标准是统一的）。BMS由此很难形成针对不同电池的技术标准。大量的重复性工作浪费在定制开发上，使得锂动力电池与BMS之间由于技术不够成熟配套争议较大，相关技术标准难以出台并试行。这不能不说是一件憾事。
与此同时，锂动力电池仍处于产业化发展初期，限于各种工艺路线不够完善、锂动力电池生产设备自动化程度不够高等原因，许多中小型电池厂的产品品质还停留在相对原始的初级阶段，动力电池出厂时的初始一致性就很难保证。更不要说为电动汽车配套应用后的电池一致性了。针对BMS的功能扩展，就不得不增加了有关专门为解决电池一致性问题而涌现出的各种平衡手段。
五、几种解决方案的比较
许多有关BMS解决锂动力电池“一致性”方案的初衷还是好的。单纯从功能性解决问题的效果也是各有千秋，比如说有关解决锂动力电池差异性的各种平衡方法，随着锂动力电池的产业化呼声不断高涨而迅速涌现。但这些方法是否真的能解决上述问题还有待商榷。为此，我们针对目前几种主流的解决方案做以分析。
1.被动均衡法 (能耗分流法）：
在传统能耗型BMS系统中，均衡方式主要以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充电过程中做均衡工作，多余的能量杯消耗到能耗电阻上，效率为零。同时，均衡电流很小，通常小于100mA，对大容量电池的作用可以忽略不计，SOC估算精度也很低。
被动均衡法工作原理：就是把整组电池系统中，串联成组的单体电池电压差异性，通过BMS进行电压采集，以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。
特点：
1）原理简单，实现容易；
2）均衡电流小时，器件成本相对较低。
问题：
1）电阻能耗放电，浪费能量，产生热量；
2）由于放电电阻不可能选得太小，充电结束时，根据电池特性往往小容量电池的电压是最高的，在静态均衡时，放掉的恰恰是小容量电池的电量，反而加大了电池间的互差。
2.主动均衡法（动态均衡法）：
主动均衡法是针对电池在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生的电压差异进行主动均衡的一种方法。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中，都可在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗，以及电池的电化学特性中极化内阻的变化，并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题。
主动均衡法工作原理：利用能量转移装置将高能量电池的电量补充到低能量电池中。其实质是运用电池组内电池能量可单/双向转移的手段，让电池组内电池电压（容量）高的那只单体电池，或是组内总回路电池，或是另设一只单独用于平衡用的独立电池，通过电磁感应法，或单、双向DC/DC的方法，将其富裕能量向组内其他电池电压（容量）较低的电池，按排序法补充电能给组内容量较低的那只电池，此方法可以在电池充电、放电或电池静置时进行。以期达到改善电池成组差异性的目的。
特点：
1）采用DC/DC双向有源均衡电路均衡效率高；
2）充电、放电和静态过程中都做均衡；
3）平衡电流大，均衡速度较快。
问题：
1）技术复杂，成本高，实现困难。
2）因须频繁切换均衡电路，对电池造成的伤害大，影响电池的寿命。
原因：在均衡过程中，不断地对电池进行充放电，造成极板活性材料过早老化（这是影响电池寿命的重要因素）。
3.内均衡法（自然均衡法）：
内均衡技术是利用BMS在对串联电池组充电的过程中，通过调节充电电流和控制充电电压的拓扑算法，使得电池组中各单体电池荷电量达到基本一致的一种充电均衡技术。
内均衡法工作原理：电池在充电过程中，其端电压可表示为：U = E + I Ri
其中，E为电池的电动势，I为充电电流，Ri是电池的内阻。电池的内阻Ri又可以表示为：Ri = RΩ+Rf
RΩ是电池的欧姆电阻，Rf是电池的极化电阻。 RΩ较稳定，在充电过程中基本不发生变化。而Rf变化较大，在充电接近尾声时，由于反应面减小，极化电阻会变大。 1、当电池端电压达到恒压点时，由于内阻的存在，电池的电动势并没有达到终止点，此时如果降低充电电流，电池的端电压就会下降，即可以继续充电。 2、串联充电均衡过程： 当电池组中有一只电池的电压达到恒压点时，适当减小充电电流，继续充电。重复以上过程，直至充电电流小于0.1C，充电结束。
举例：
1、假设电池组中有两只电池容量相同，由于自放电率等参数不同造成长期搁置后荷电量不同。 2、充电时，荷电量高的电池首先达到恒压点，减小电流后继续充电。根据锂离子电池的特性，当电池接近充满时，充电效率会下降。而此时低荷电量的电池还保持着较高的充电效率。到充电结束时，它们之间的差距就会减小一些，经过几个循环之后，其荷电量会趋于一致。
假设两只电池的荷电量相同，但容量不同，根据上面相同的原理，经过多个充放循环后，两只电池充电结束时的荷电量都能接近100%。 证明：设电池U1的容量C1大于电池U2的容量C2，充电时电池U2首先达到恒压点，则电池U1的总体充电效率G1大于电池U2的效率G2(设二者初始容量都为0或同一起始点)。
第一次充电结束时，电池U1的荷电量为 S1=(G1/G2)C2。 假设电池组放电到电池U2为0，然后充电。第二次充电结束时，电池U1的荷电量为S2=S1-C2+(G1/G2)C2。则有S2-S1=[(G1/G2)-1]C2, 由于G1>G2, 所以S2-S1>0，即S2>S1,可以得出结论:电池U1每充电后的荷电量总是大于自身前一次的荷电量。
特点：1）可不基于SOC估算，算法简单；2）没有能量损失；3）没有增加附加的充放过程，不影响电池寿命；4）不增加硬件设备；5）电池工作在较理想的工作点上。
问题：如果电池组的荷电量相差很大，需要较长的时间才能均衡。
成功案例：2005年国内某电池厂采用内均衡的BMS及充电机在河北香河“第一城”（国际会议中心）成功应用，八年来20辆游览观光车及配套充电机运行情况良好，电池在寿命期内无一损坏，用户反映良好！
近年来，BMS采用内均衡的方法在国内外80多家动力电池厂及不同车型的电动车厂家做过大量实际验证，均取得了很好的应用效果，得到业界广泛的好评。
六、锂动力电池的“长寿命”是追求目标
经过对上述几种均衡模式的认真比对，不难看出只有简便实用的内均衡方式最为符合电池组的成组特性。
大量的实践案例也进一步证明了BMS的内均衡方式既省去了繁杂且违背电池固有规律的某些做法的硬件成本，又降低了锂动力电池成组应用的运营成本；“限两头带中间”的科学管理策略，充分发挥锂动力电池充/放电平台特性，使得锂动力电池在保证“出厂一致性”的前提下，既保证了电池安全性，又可保证电池组的”循环寿命最大化“是BMS技术突破所追循的目标。
七、突破BMS瓶颈迎接新能源汽车之春
纵观上述分析表明，BMS对锂动力电池的成组应用的作用还是非常有效的。合理应用BMS的科学管理手段将表现为：
1.保障动力电池组在电动汽车上的安全性；
2.合理控制电池充/放电“拐点”，有效解决电池成组差异性的“趋坏”、“失控”，甚至提前“到寿”的怪现象，尽力保证电池组的循环寿命。
在此需要重点强调的是，决不可用BMS来“包治百病”，锂动力电池的出厂一致性是必须要保障的，只有在保证“电池出厂一致性”的标准前提下，加上BMS的科学管理手段的合理配合，在“电池拐点”允许的范围内合理利用电池的“平台特性”，才会使锂动力电池的成组应用的效果达到最佳，进而达到电动汽车所要求的寿命周期的要求。而那些所谓的超“拐点”使用，拼命求取“满充满放”的电池平衡办法对“电池循环寿命”及电池安全的不利影响会是显而易见的。
我们并不否认电网、整车厂和电池厂的合作是当前新能源汽车规模化发展的关键环节，但锂动力电池成组技术应用一定是新能源汽车产业化之路的技术瓶颈，这项共性技术应用成果——BMS已经被业界所广泛认可。
整车、锂动力电池、BMS三者之间的合理搭配才是新能源汽车走向产业化、规模化、市场化的正确之举，这是毋庸置疑的，也只有完成了BMS这一技术瓶颈的重大突破，新能源汽车的产业化春天才会真正到来，我们期待。
（作者系新能源汽车电池成组管理应用技术专家，中国电源工业协会常务副理事长）
