电动汽车动力锂电池的均衡充电技术发展现状研究文献综述
1引言
电动汽车动力锂电池电池管理系统的设计开发是制约电动汽车发展的瓶颈之一,尤其是电池组串联电压不均衡问题大大限制了其广泛应用。电动汽车锂电池的均衡充电技术直接影响电池组性能和使用寿命。
2正文
2.1研究背景
近年来,动力锂电池以其高比能量、高比功率、高能量密度从而替代传统的镉镍电池和氢镍电池,进入电动汽车市场。汽车动力电池的工作电压很高,必须串联多节锂离子电池以达到汽车电池的工作电压。然而,目前电动汽车采用锂离子电池作为动力源,由于电池组内各单体电池内部特性参数的差异、充电能力的差异、自放电率的差异、工作温度和循环使用次数等的差异,在使用过程中，尤其在大量的串联使用中，会由于电池性能的不一致性造成串联中的个别电池的过充电、过放电、过温等影响电池性能和使用安全的问题,而这种状况会导致电池性能的急剧恶化,最终导致整组电池无法正常工作,甚至报废。因此,均衡充电是电动汽车电池管理系统的一个重要研究方面。
2.2 电动汽车动力锂电池的均衡充电技术国内外研究概况
电动汽车作为新兴普及型交通工具是汽车产业发展的方向和必然。电动汽车从动力来源进行分类主要包括混合动力型电动汽车(Hybrid Electric vehicle，HEV) 、燃料电池汽车(Fuel Cell vehicle , FCV)和纯电动汽车(Electric vehicle , EV)。在欧美、日本等发达国家的引领下，在技术不断革新的背景下，全世界各大公司都加大了对电动气车的研发力度，并且不断推出自己新的产品。无论是软环境还是硬环境都对电动汽车的开发、应用、普及都有很大的帮助。我国现阶段对电动汽车的政策依然为积极态度，电动汽车的动力电池依然是其发展瓶颈之一，动力电池的安全以及能源利用效率依然是现阶段的研究重点。电动汽车的节能优势在于相较于传统化石燃料燃烧驱动的车辆而言，电动汽车所使用的电能在由化石能源转变为电能和被电动汽车利用的过程中化石能源的能量转化效率更高，故世界各国都在积极推动电动汽车的发展。现阶段电动汽车动力电池主要的类型采用的是锂离子电池，隔膜、电解液、负极材料、正极材料是锂离子电池最为重要的四个部分。这四个部分材料性能的好坏从根本上决定了锂离子电池的优劣。同时电池的管理以及结构上的布置也对其性能有很大的影响。美国作为全世界科技领先的大国，在电动汽车方面也是处于领先地位。
美国电动汽车的相关企业和科研机构不仅有大量的资金支持，更是有政府的法律、政策的支持。从1998年之后，政府对'零污染'汽车的销售所占新车销售额的比例要求也逐年提升，由最初的2%上升到2003年的10%。美国三大汽车公司在1991年合作研发电动汽车所用的先进电池并投资成立先进电池联合体，同年7月更是吸进美国电力研究院加盟。目前引领世界电动汽车发展方向的特斯拉公司就来自美国硅谷，并被全世界给予厚望。目前特斯拉公司的新产品性能已经十分优越。续航能力高达500公里，最高时速超过200公里/小时。使用特斯拉快速充电器60分钟即可充满，而用普通家用220V电源也仅需要8个小时， 其采用的动力电池供应商供应其超高镍NCMA电池，其中镍含量已提高到90%，而钴含量已降低至5%以下，一次充电可以保证600公里的续航里程。LG新能源将NCMA电池量产提前的消息在2021年7月就已经流出。原本LG化学(LG新能源母公司)计划在2022年联合通用汽车量产新型NCMA电池，但今年7月有消息称LG化学计划将NCMA电池量产时间提早一年至2021年。次透露LG新能源将于2021年第二季度大规模量产，并于当年下半年开始向特斯拉供货或间接证实了LG新能源NCMA电池明年即可装车的消息。
另外，近日国家工信和信息化部已经公布了特斯拉(上海)工厂即将量产的Model Y车型相关信息:电池系统能量密度为161Wh/kg，电池包容量为77kWh，续航为594km。特斯拉(上海)工厂产Model Y目前搭载的仍然是三元电池，供应商应该主要来自LG化学，电池类型为NCM811，镍含量80%。日本作为汽车产业大国，在电动汽车研究也是先头部队之一。同时发达的工业使得城市污染严重。因此，日本特别注重对清洁能源的开发利用，在很早就对电动汽车的发展做出了规划。
日本着重发展的是混合动力型汽车，在该项研究上日本的技术很先进。日本业内专家认为锂离子电池将作为未来的主要技术方向，会逐步取代现今的镍氢电池。日本的汽车企业和电池生产企业都纷纷加入锂离子电池的研发生产的队伍当中。如果锂离子电池技术成熟并加以推广，到2021年末混合动力型汽车的数量很大可能达到720万辆。在亚洲、美国竞争对手积极发展电动汽车的情况下，欧洲汽车厂商也不甘示弱。奥迪、宝马首先推出了混合型动力汽车销往美国市场。德国政府希望打破技术和基础设施的限制，从而使德国超过日本成为电动汽车行业的主宰者。法国有着良好的电力供应能力，核能和水利发电都是法国的电力来源，电量供应充足。法国官方和法国主要的汽车厂商相互签订协议，对电动汽车的研究达成一致，并一同出资成立动力蓄电池公司。英国是现今发展电动汽车的国家中技术和电动汽车使用量最高的国家，早在20世纪中期英国就开始研制电动汽车。英国政府也出台了各项优惠政策，如免收牌照费、免路费、夜间充电费用实收50%等。从整体上来看，欧洲的电动化发展，是以欧洲整车企业能够在电芯采购，电池的产业链上端建立起足够的控制力，然后从欧洲整体的角度投入资金为了整个能源结构变化，特别是储能电池的技术方面建立属于自身的供应链，这个某种程度也是从政府层面到产业层面的一种态度。自从1980年开始，我国逐步加大了对电动汽车的研发力度，电动汽车也被列为了国家'八五'、'九五'科技战略中的攻关项目。
国内各大研究院和生产企业也开始着手推出电动汽车相关产品，但性能与国外研制的电动汽车还有一定的差距。近几年，我国对电动汽车的研发工作进入了全面发展阶段，电动汽车的市场也正逐步兴起并规范。科技部专项确立了'三纵三横'的研发产业布局，其中'三纵'是指燃料电动汽车(Fuel cell vehicles,FCV)、混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)和纯电动汽车(Electric Vehicle，EV)这三种现今最流行的电动汽车种类。'三横'是指电控系统、电动机、动力电池这三个关键性技术。国产汽车厂商也不断组建产业联盟，以比亚迪为首，大力发展经济环保型电动汽车。同时，各大厂商也都积极推进电动汽车的研发，并取得很好的成绩。虽然国内电动汽车动力电池产业发展前景十分良好，但还有几个关键性问题制约我们的发展。①技术方面相比国外还稍显落后，有一定的差距。几个技术难点的瓶颈有待突破。②国内针对电动汽车的发展重点不统—，有人认为应该燃料汽车与电动汽车并重。有人认为以国内目前的研发实力，抓住—方面专注更合适。两种观点的中突造成了目标不统—和制度得不到完善。③电动汽车相关配套基础设施不够完善，想要增加电动汽车的普及度，考虑到未来电动汽车保有量，充电基础设施的配备对政府来说也是个巨大的考验。在目前我国电动汽车动力电池研发中对于动力电池的检测方式主要集中在对于电池管理系统（BMS）中电池荷电状态（SOC）的测量上。随着现代技术工艺的提高，电池制作过程中产生的差异越来越小，但是,单体电池特性仍难保持一致。尤其是电动汽车在城市工况运行条件下,频繁地进行不规则充放电。锂离子电池组在工作一段时间后，单体电池之间的性能差异日益恶化。造成锂离子电池不均衡的原因主要有三个方面。
电池自身的不一致性:研究表明,即使同一个厂生产的相同规格型号的电池,由于工艺和材料的不均匀等原因,也会造成各单体电池在电解液、隔膜、活性物质等方面的微小差异，同时在锂电池使用过程中个体充放电程度不同和通风条件等环境因素的差异，在一定程度上,也加剧了单体电池相关性能参数的不一致。
