电动汽车商业化首要基础技术

郑州工程技术学院电动汽车实验室   段万普

内容简介：本文剖析了现在流行的不合理电池组和造成电池连带损坏内在原因，解说网络组和技术应用中的基础技术，采用这项技术首先需要提高决策层的认识，理解这项技术的内涵和潜在的经济价值，并说明了实施这项技术所需的商业环境条件。

关键词：电动汽车、蓄电池组

电动汽车的采购者和投资者最关心的是电动汽车的续行里程，并以此决定是否购买和是否投资，这是对电动汽车技术了解较少者的通常做法。其实决定电动汽车的商业化价值的是综合运行成本，如何理解运行成本，从技术结构上如何控制运行成本，使得电动汽车的用户能获得实际经济效益，本文做了一些说明。

1电池损坏被结构性放大

电动汽车的财政补贴，有力推动着电动汽车的技术进步和商业化进展。但是也正是财政补贴的资金，引导车企把关注点放在如何获得补贴资金上，对特有的技术难题不去研究如何解决，这就遮蔽了阻碍电动汽车商业化的深层次原因，使得对电动汽车商业化至关重要的问题长期未得到重视。

电动汽车要成为商品，进入千家万户和各个行业，起决定因素的动力就是效益，谁能获得效益，谁就会积极参与。汽车厂可以得到国家财政补贴，所以汽车厂就有积极性。用户可以得到地方财政的补贴，用户就容易购买。汽车到了用户手里，以后的实际运行，汽车的用户能否有实际效益，决定用户是否有持续购买动力。

现在的基本情况是，车辆用户的实际运行成本，远高于燃油车，没有从电动汽车上得到效益，所以难以有持续的购买动力。就连汽车厂的领导和职工，也不愿意主动购买自己生产的电动汽车，何以有市场？

电动汽车到用户手里，运行中的成本变数，最大的就是蓄电池的消耗量，电池的使用寿命越长，运行的折旧费用就越低，综合运行成本就越低。

电动汽车是在燃油车的结构基础上改进的，其变动最大的就是动力系统。在动力系统中，造成运行费用膨胀的就是蓄电池组费用。

磷酸铁锂电池的检测循环寿命，都在2000次以上，这是许多电池厂可以做到的。在使用中经测算大约在1200次，就是一个盈亏的坎，超过了这个坎，电动汽车的运行费用就会低于燃油车，低于这个坎，电池的折旧费用就会把运行费用推高到燃油车以上。遗憾的是，在国内和国际范围内，现在尚没有看到一个运行试点的数据报告说明，证明用户可以把电池的循环寿命达到1200次循环以上的水平。

于是，一边倒的批评都指向蓄电池，认为蓄电池不过“关”，甚至要求电池厂家承诺全部的责量责任：达到使用3年或15万公里的寿命。其实，电池质量没有“关”这个概念，其质量水平是在不断提高的，现实的状态就是目前的质量水平。对电池这种不合理的指责弥漫在整个电动汽车行业，误导了行业的决策者。电池厂家提供的磷酸铁锂电池，都有2000次以上的循环寿命，在实际车辆上运行，国内大部分只能有200~400次循环。这是汽车厂和用户的失误造成的，应有汽车电气设计者厂承担责任。由于电池行业处于上游，在买方市场上没有话语权，也缺乏对整车电路的认识，无法说明这个问题的责任不在自己。正是这种错误的观点模糊了对电池损坏本质的认识。

电池厂责任是生产符合国家标准的单节电池，汽车厂使用的是蓄电池组，并不是单节电池。在实际应用中，“单只电池”和“蓄电池组”的技术含义是全然不同的，蓄电池有很多组合方式，不同方式组合后的可靠性差别很大。这是产生问题的基本构架。

现在生产的电动汽车，蓄电池的组合方式都是采用同一种方式，就是先并联成一个大容量单节电池，由于电压就是一个电池的电压值，所以称为电气单节。用许多个电气单节再串联成一个整车的蓄电池组。这是被普遍采用的经典电路。在市场上看到的电动汽车，无一例外都采用这个电路。

这个电路是不合理的，但遗憾的是已经被“固化”在电动汽车的设计思想中。

这种电路结构的缺点是：电池的损坏最小单位就是1个电气单节。通常容量都在100~400Ah之间。配套的BMS检测到单节电压不正常时，该单节整包已经损坏了。

图1就是一个流行的200Ah的单节电池组合汇流板结构，它是用98个18650单体电池并联组合的。圆柱电池的正极焊接在鎳皮上，镍皮再与铜板连接，铜板连接到输出的正极柱上，负极的连接方式相同。

这样的物理结构，其中1个圆柱单体损坏，是无法更换的。

在电池包中，无论并联了多少个单体电池，损坏总是从1个电池开始的，电池的损坏有两种表现。一种是电池内部断开，表现为“0”电压，锂电池内部电流汇集处的焊接结构，没有腐蚀发生，脱焊在锂电池上是十分罕遇的。另一种就是内部发生微短路，表现出自放电较大，表现出端电压逐步降低。这种损坏是锂电池损坏的主要方式。一旦发生这种情况，由于电路连接的牵制，整个电池的电压就被牵制到低电位，最终导致整个电池包失效。也就是说，在图1所示的电池包中，损坏被放大了97倍。这就是电池的连带损坏。在这种组合结构中，由于单体电池间的工作条件有差异，所以整包电池寿命总低于实验室单节电池的寿命。

由于蓄电池消耗量的失控，使得电动汽车使用成本高于燃油车，实际运行表明，电动汽车的蓄电池消耗量居高不下，是市场化的最大阻碍。至今未见到电动汽车运行成本低于燃油车的实例，深度的控制因素就在这里。

在整车设计上，电池充放电的深度直接制约着电池的循环寿命，浅充浅放能成倍增加电池的循环寿命，但是浅充浅放要增加电池能量的配置，也就增加了整车的成本，减少了市场竞争力，汽车厂是不会接受的。许多车的续行里程，都是按100%的能量吞吐来计算的。

显然，这种损坏被放大的责任，重负荷缩短电池寿命的责任都不能由电池厂承担，电池厂的生产工艺无论多好，也不可能消除不合理电路结构造成的连带损坏。

这种组合结构的设计者的依据，就是误认为电池的性能永远是一致的，使用中不需要维护的。这是电路设计者由于缺乏对电池的认识，经常犯的错误。他们不了解电池的性能出厂时只是基本一致，质量参数是按正态分布的，使用后的动态条件会造成电池的性能永远是不一致的，而且不一致性的发展多数情况下处于正反馈的发展状态。

针对流行电路蓄电池组和的这个缺点，笔者提出了蓄电池的网络组和方案，理论和实践证明，这个方案由于减少了蓄电池的连带损坏，可以大幅度压缩蓄电池的消耗量。

2网路组和方式简介

网络组合方式就是在电池包内采用图2所示的电路连接方式。在横的方向

单

体电池是串联的，在竖的方向单体电池是并联的。横向和竖向的电气连接就构成了网络结构，这种电池组合方法就是网络组合法。

在电动汽车上，用这种组合结构，把圆柱18650电池组成几十伏的电池包，再用电池包组成一个电池串，用几串电池最后并联组成图3所示的整车电池组。

图2所示的电路结构，在串联的等电压点上，连接有均压线。在正常情况下，均压线上是没有电流的。当电池性能发生差异的时候，均压线就随机自动起到均衡的作用。也可以把竖方向的两条均压线之间的电池，简单理解为一个并联的单节。这个单节由于是一列电池电压的均衡值，所以电压差别很小。用工艺条件可以控制到弱并联状态，在这个并联结构中，当然也存在损坏被放大的情况，但放大倍数被压缩到“行”的数量上，远小于全部并联的情况。如果把图2所示的70个电池全部并联成1个包，放大倍数就是69。

用图2的电池包串联成电池串，图3的蓄电池组是用7条独立的电池串并联组成整体蓄电池组。对这样的蓄电池组，就需要配套专用的的BMS。以往的BMS是以检测电压信号为主，我们称为BMSU，配套专用的BMS是以电流信号为主，我们称为BMSA。

这种BMSA与以往的BMSU全然不同，性能对比见表1。

表2     两种蓄电池管理系统的对比

BMSA的功能中最大的优点就是对电池失效有预警功能。电池是一个电化学储能期间，与常规电路中的电容是不同的。电容储能是物理储能，电池储能是电化学储能。它们特性的对比见图4。

电池在充放电的过程中，都有一个平台，在这个平台阶段，持续的电流作用，才能使电池的电压有所变化。电池的损坏是在持续的电流较长时间不正常作用下，电压才会表现不正常。所以用电压值判断电池性能的状态，总是滞后一段时间。用电流值判断电池的工作是否正常，具有实时性。

当用户在车辆液晶仪表盘上看到每串电流时，就知道电流分配的不均衡状态，在不均衡程度未超限的情况下，就可以安全运行。一旦发现电流不均衡向扩大的方向发展较快，就可知该串电池中有不良单节。这时电池并没有完全损坏。这就是电池损坏的预警作用。这个预警信号，就为蓄电池的维护提供了必要的诊断数据，减少维护的辅助工作量。

这种组合方法是在以往的电池故障处理中逐步探索总结出来的，从理论上可以说明其可靠性远高于流行的组合方式。用实验可以随时验证其先进性。

电动公交车常采用单体的大容量电池，这种电池有的是用20Ah的软包电池并联的，有的是用单个1对正负极板组和的。从结构的微观来讲，都是微小电池的并联结构。采用网络组和结构如需要电池厂的配合，就技术衔接问题，选用新结构的电池是汽车厂自己能决定的技术措施。

这种技术方案已经申报了发明专利。这种电路结构再辅助以蓄电池维护工艺，就能大幅度减少蓄电池的消耗量，为电动汽车的商业化提供基础。

3实施条件

网络组合法的实施条件有3个：

3.1电池组和模具

圆柱电池的组和成电池包，需要有专用的骨架，就需要开制相应的模具。模具的品种和规格见表2。

表2                                                 蓄电池组和模具的种类

用表中的塑料构件，是根据已经改装过的8种车型的电池箱的尺寸汇总确定的，可以组和这些车辆的各种电池包。

3.2专用的BMSA

由于网络组和的电路结构与流行的结构不同，所以需要配套专用的BMSA。这种管理系统，主要监测各电池串的电流分配均衡性，利用电流的差值可以早期发现不良电池的位置，在电池完全失效前就可排除它，从根本上消除连带报废的损失。BMSA的作用就是预警告知不良处所，为进行蓄电池维护提供依据。这就能把电池的连带损坏消灭在酝酿的过程中，保障车辆的技术状态良好。

3.3蓄电池维护工艺和专用设备

根据BMSA记录的数据，当车上的某一串电池出现不正常时，在换电站充电作业时，就可更换掉该串电池，换上同电压等级的电池串。这种更换不必考虑容量的匹配，只根据电池的标称电压相同即可，工作易于进行。电池串中的性能差异，在电池上车后会自动平衡。

蓄电池维护这部分工作从工艺到专用设备的制作已经完成。

4实施的阻力

         这项技术的实施后产生的直接经济效益，是在车主，但车主又不是采用这项技术的主体。汽车厂的收益只能有增加了技术亮点，潜在地提高了车的竞争力，并没有直接经济收益。电池厂作为电池供应商，也没有直接经济效益。但是实施的主体只能是汽车厂，由于没有直接经济效益，所以汽车厂缺乏积极性。

         对这项技术的识别，汽车厂的主管，往往缺乏蓄电池知识，不容易确认其先进性，甚至认为这是电池厂的事情。笔者曾和几个汽车厂洽谈，常常遇到负责人的回答是，做个样车跑跑看，这是最省心也无需任何责任的答复。这种袖手旁观的态度，不但阻碍了对这项技术的识别，而且推迟了这项技术对电动汽车市场化的实际推进。有的说电池组和是电池厂的事，我们只是用户。

        做样车需要开发整套技术的硬件和软件，这样的工作量、技术实力和经费就不是一般公司能够承受的，所以难度较大。现在已经有第一家公司接受了这个理念，开始了这项工作。

        但是，先进的技术本身具有巨大的恒定活力，在国家财政补贴逐渐减少的情况下，市场会引导汽车厂逐步采用这项技术。只有实现低成本的运行，电动汽车才会从试点运行的样板展品进化成千家万户使用的商品。

作者简介：

段万普，高级工程师。连续40年从事蓄电池合理使用与维护技术的研究。

(此文章为原创，转载须白条通过)

编辑：编辑部