鉅大LARGE | 點擊量：677次 | 2021年04月13日
簡述燃料動力電池與鋰離子電池的管理系統(tǒng)比較
目前電動汽車的主流技術(shù)路線就是鋰離子電池和燃料動力電池（PEMFC）。相對而言鋰離子電池在技術(shù)成熟度和成本方面有著明顯的優(yōu)勢，商業(yè)化程度更高。燃料動力電池技術(shù)目前在成本、使用壽命、基礎(chǔ)設(shè)施配套等方面距離規(guī)?；瘧?yīng)用還有一定的距離，但較鋰離子電池而言還是有能量密度高、補給速度快的優(yōu)勢，未來勢必會有很大的發(fā)展空間。
從技術(shù)專利申請的情況看鋰離子電池在2008年起迎來了爆發(fā)，逐年線性遞增（2016年達8000件），與鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的腳步高度吻合。由此我們來看燃料動力電池多年維持在2000件左右的專利申請數(shù)且實用新型偏少，從一個角度印證了該技術(shù)還處于產(chǎn)業(yè)化前期的技術(shù)驗證階段。預(yù)計在2020年至2025年燃料動力電池技術(shù)可能進入快速發(fā)展階段，在此想比較一下鋰離子電池和燃料動力電池在管理系統(tǒng)上的異同。
有時候覺得鋰離子電池的管理系統(tǒng)（BMS）和燃料動力電池的控制系統(tǒng)（FCS）其實并沒有可比性。因為鋰離子電池系統(tǒng)屬于儲能裝置，而燃料動力電池系統(tǒng)屬于發(fā)電裝置，和發(fā)動機進行對標(biāo)更合適。但另一方面燃料動力電池系統(tǒng)和鋰離子電池系統(tǒng)又有很多相似之處；都是由多節(jié)單體串聯(lián)而成要對單體進行監(jiān)控，都是輸出電能并要根據(jù)電池狀態(tài)實時調(diào)整功率邊界。較鋰離子電池而言燃料動力電池單體電壓平臺更低（標(biāo)稱電壓約1V），功率響應(yīng)有一定的滯后性，因此FCV車型動力總成中往往要鋰離子電池系統(tǒng)或超級電容用于功率的瞬間輸出和回收。
下圖以Tesla電池系統(tǒng)與BALLARD的燃料動力電池系統(tǒng)進行比較，可見鋰離子電池系統(tǒng)對外部的接口簡單清晰（低壓接口、動力高壓接口、冷卻回路接口）。而燃料動力電池系統(tǒng)不僅包含常規(guī)的這三組接口，還要有氫氣路接口與氫瓶連接，空氣路接口獲取氧氣并由空壓機增壓后注入電堆內(nèi)，同時還要有排氣通道。
鋰離子電池系統(tǒng)架構(gòu)中被控對象重要包括：鋰離子電池單體、接觸器、冷卻系統(tǒng)；要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)為：電流、電池單體電壓、系統(tǒng)總壓、溫度、絕緣電阻等，相比較較簡單。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而燃料動力電池系統(tǒng)架構(gòu)中的被控對象包括了：燃料動力電池電堆、減壓閥、進氫閥、進氣閥、排氣閥、水循環(huán)系統(tǒng)、空壓機、加濕循環(huán)泵等。要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)在鋰離子電池的基礎(chǔ)上要新增：進堆口氫氣壓力、減壓閥前氫氣壓力、空氣壓力、空氣流量、空壓機電流等，并且要控制進堆的氫氣和空氣保持適當(dāng)?shù)臐穸取?/p>
4.控制策略比較
鋰離子電池BMS的策略重要可分為兩部分：BSE電池狀態(tài)算法和運行管理策略。由于鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)是電池主動完成的，因此BMS無需直接進行控制，只要評估反應(yīng)后的狀態(tài)。運行策略重要是基于對狀態(tài)的評估結(jié)果執(zhí)行接觸器、熱管理裝置、均衡功能的控制。
燃料動力電池的電化學(xué)反應(yīng)過程要通過控制系統(tǒng)控制物質(zhì)的輸入輸出以及工作環(huán)境才得以進行，因此FCV的策略要基于電堆控制模型、空氣路控制模型、氫氣路控制模型、以及冷卻系統(tǒng)模型實現(xiàn)有效控制。
5.主觀的感想
最后談一下對BMS和FCS控制策略的主管感受。BMS管理手段更像西醫(yī)療法，例如電池的均衡策略就是識別單體電池荷電態(tài)的不同，通過高放低充的方式直接進行治療。相比之下對燃料動力電池的管理有點中醫(yī)治療的味道，要定期對燃料動力電池進行吹掃和活化來保持一致性。在運行過程中的控制上燃料動力電池復(fù)雜程度更高，多個模型之間互為輸入，因此采用機理模型（基于能量守恒、電化學(xué)反應(yīng)方程的模型）很難得到最優(yōu)控制。預(yù)計在未來采用辨識模型（基于先驗知識實現(xiàn)等價模型匹配的算法）進行控制可能會是趨勢。
