電動汽車用鋰離子電池容量大、串并聯節數多，系統復雜，加之安全性、耐久性、動力性等性能要求高、實現難度大，因此成為影響電動汽車推廣普及的瓶頸。鋰離子電池安全工作區域受到溫度、電壓窗口限制，超過該窗口的范圍，電池性能就會加速衰減，甚至發生安全問題。
 
為解決電池組串并聯中遇到的一系列痛點問題，我和我的團隊正在進行電池組BMS動態串聯管理技術的研發，該技術與行業內當前普遍應用的BMS技術有很大的區別，主要有以下六點：

 
與市場上的BMS相比，采用動態串聯技術實現的產品可以具有15項優勢，最主要的優勢在于它的高安全性和高可靠性。它的技術優勢主要表現在這些方面：
（1）允許單體電池失效：單體電池失效不影響電池組（或電池簇）功能，失效電池模塊會被隔離出電池組系統，單體電池失效時電池組只損失少量電量，損失的電量小于5%（只損失容量，不影響輸出電壓和輸出功率），可靠性很高。行業內的電池組一旦發生單體電池失效時，整個電池組（或電池簇）就會無法使用，可靠性較低。
（2）對電池一致性要求降低：對單體電池分容配組很容易實現，電池模塊允許容量不一致和荷電狀態不一致，并允許新電池模塊在線插入到舊電池組系統中使用，維護方便。行業內的電池組對電池一致性要求很高，分容配組后的剩余電芯利用率低，無形中會提高成本，并且不具備電池模塊在線更換功能。
（3）最大程度利用每個單體電池的儲電量：動態管理功能可以自動彌補不同電池模塊之間的容量差異，使每個電池模塊在放電時都可以完全釋放全部電量，而在充電時則可以保證每個電池模塊都能完全充滿，其均衡控制方式由于沒有損耗，優于市場上的主動均衡。行業內的電池組的儲電量存在短板效應，受限于儲電最少的單體電池或電池模塊，而無法完全利用所有電池的儲電能力。
（4）電池組輸出電壓穩定：由于電池組的串聯節數動態變化，會隨著單體電池電壓不同而改變串聯節數，電池組輸出電壓平臺變化范圍小，輸出穩定，并可以通過軟件設置來改變輸出電壓平臺，實現輸出電壓按需求輸出。行業內的電池組（或電池簇）則是固定串聯節數，充滿時電壓高，而在電池組電量低時電壓低，輸出電壓變化幅度很大。


（5）具有多級獨立保護功能：電池模塊具有二級以上的獨立保護功能，整個電池組（或電池簇）具有四級以上的獨立保護功能，大大的增加了系統的可靠性。行業內的高壓電池組，對電池模塊不具有保護功能，只能在電池組（或電池簇）實現保護。
（6）充電電壓范圍允許非常寬：甚至可以低于電池組標稱電壓來充電，并實現高效率充電均衡，充電電源不需要精確穩壓，也不需要限流功能，簡化了充電電源。行業內的電池組由于固定串聯節數，充電電壓是固定值，適配器需要精確的輸出電壓控制，并需要有限流功能，在鐵鋰電池應用時還需要針對均充和浮充設置不同電壓。
（7）高效率實現光伏輸入最大功率跟蹤：當輸入電源為光伏發電時，無需光伏控制器來進行電壓轉換，提高了光伏發電利用率，并可以通過調整電池串聯數來輕松實現光伏輸入最大功率跟蹤。行業內的電池組需要光伏控制器來進行電壓轉換，增加了光伏控制器成本，光伏控制器會有轉換效率上的功能損耗，降低了太陽能利用率并增加了溫升。
（8）電源在線可以實現電池組放電：電池組在后備態應用的任何時候都可以進行阻抗跟蹤測量，即使在充電電源在線的備電浮充狀態也可以使電池組進行放電，以測試電池組健康狀態（注：電池組可以通過調整串聯工作的模塊數量使電池組的輸出電壓高于充電電源電壓來對負載進行放電，例如電源為250V，電池組輸出263V電壓。）。行業內的電池組由于采用固定串聯節數，電池組電壓小等于充電電源電壓，在充電電源長期在線浮充狀態時，難以對電池組進行健康狀態測量，使維護成本增加。
（9）分布式電量計算：電池組的SOC和SOH計算為分布式電量計量，并可以帶有電流補償、溫度補償及阻抗跟蹤計算，不會因為某個單體電池問題產生瞬間容量大跳變，SOC精確度可以優于3%。行業內電池組SOC計算方式為集中式電量計算，當電池組中某個單體電池劣化時，單體電池的狀態直接影響到整個電池組電量，使電量誤差增大或瞬間突變，電量計量精度差。
（10）電池模塊允許熱插撥：系統無需斷電可以插入或撥出電池模塊，模塊熱插撥不影響電池組正常功能，允許不同電壓、不同容量以及不同荷電狀態的電池模塊接入系統，可以整批逐個更換電池模塊的方式使電池組備電時間大大延長。行業內的電池組（或電池簇）不具備此功能。
（11）適應恒功率放電：在對恒功率負載放電時，由于電池組通過控制電池串聯數量保持輸出電壓穩定，不會產生放電末期電壓降低電流翹尾升高現象，在放電末期電池組溫升不會急劇升高。行業內的電池組（或電池簇）則是固定串聯節數，充滿時電壓高，而在電池組電量低時電壓低，輸出電壓變化幅度很大，在恒功率負載的放電末期會出現電流翹尾升高，此時電池組內阻也變大，會導致電池組溫度迅速上升，不僅影響電池壽命，并可能導致安全性問題。
（12）可以實現雙向脈沖充電：在充電狀態，當控制電池串聯數量使電池組電壓低于充電器電壓時，電池組為正向充電；當控制電池串聯數量使電池組電壓高于充電器電壓時，電池組會對外部負載放電，從而可以實現雙向脈沖充電。雙向脈沖充電方式可以消除電池在充電時的極化效應，并能抑制充電時鋰枝晶的產生，大大延長電池組的循環壽命。行業內的電池組普遍無此功能。
（13）在高壓直流應用時可以實現電壓無跳變切換：采用了動態串聯技術，無論電池組SOC值高或低，都可以實現始終以恒壓方式充電，使電池組電壓與電源電壓相一致，并能實現自動功率調整，在負載功率大于電源功率時，電池組輸出能量；負載功率低于電源時，電池組自動轉為充電吸收能量。行業內的高壓直流應用的電池組，在電源在線時電壓高，若電源切換時電池未充滿，就會出現電壓大幅度跳變。
（14）可以實現容量微調：電池組可以通過動態串聯技術在電池組合結構上實現容量微調，擴展性好，例如，采用20Ah的單體電池，增加20%的動態串聯數量，就可以在無需并聯情況下可以構成25Ah等效容量的電池組。行業內的電池組無此功能。
（15）可以實現軟啟動和軟關斷：通過將電池模塊依次順序串聯接入，使串聯數量由少到多增加，可以實現輸出電壓由低到高的軟啟動；同理，也可以使電池模塊依次順序退出串聯，串聯數量由多到少，實現輸出軟關斷，減少負載開啟或關斷瞬間功率器件上的電應力。行業內的電池組無此功能。
 
電池組動態串聯技術非常適用于高電壓的電池組系統，大大增加系統的安全性和可靠性，可實現電池組的精確電量計量，并使電池組的維護成本更低。
電池組動態串聯技術的基本原理在于電池組中電池單元的串聯數量是可以變化的，而電池單元又可以被獨立接入串聯主回路或隔離出來。下圖為采用動態串聯技術的電池模塊的示意圖，一個電池組系統可以由多個這種電池模塊串聯組成。圖示所示為4*4S的電池模塊，它具有以下技術特點：
1、該電池模塊控制4個4S單元的串聯接入和退出；
2、每個4S單元具有獨立的二級保護功能；
3、每個4S單元在必要時可受控熔斷，永久斷開；
4、主控系統可控制串聯的4S數量。

 
動態串聯管理技術由于涉及到浮電位電池電壓檢測、多模塊同步控制、開關電源、高速隔離通信、電池模塊與系統的低功耗管理等多種技術，因此實現起來的難度相當大，我們是在20年BMS技術經驗積累基礎上做了許多技術創新和實踐驗證來最終實現的，從項目技術預研到完成功能樣機，就花了2年多的時間。
 
 
 
 
編者注：
俞峰，福建飛毛腿動力科技有限公司總工程師，擁有21年的鋰電池行業經驗，擅長BMS設計，擁有BMS授權專利20余項。研發的《多節串并聯鋰離子智能電池》項目于2006年獲得省科學技術獎三等獎。2005年，研發了全球第一臺鋰電為動力的純電動汽車鋰離子電池組，并在韓國汽車展上隨整車展出。2007年，研發了國內第一臺1U尺寸的48V通信備電用鋰離子電池組。
目前，正在帶領團隊進行電池組BMS動態串聯管理技術的研發，目前已完成功能樣機。