数字化电池的研究开发应着眼于哪些方面？探究电池储能技术成电力系统发展新趋势

随着人们生活水平的提高，二次电池特别是大电流的蓄电池（铅酸蓄电池、镍镉和镍氢蓄电池）在动力部门、铁道、军事中取得了越来越多的应用，然而，蓄电池能否可靠的供电，并达到生产厂规定的寿命，与对蓄电池的充放电等日常维护管理正确与否是密切相关的。由于现在广泛应用的蓄电池均不带智能检测装置，即不是数字化蓄电池，所以，蓄电池的充放电电流大小、端电压大小、充放电时间、充放电次数、充放电容量、剩余容量、蓄电池内部温度和使用寿命等基本参数，只能靠人工测量或大概估算，一旦出现误差，将对我们正常的生产和生活产生不可预计的后果，并对蓄电池的电气性能和寿命造成无法弥补的损失。

随着微处理器技术的发展，移动电子设备就其本身功能而言发展得很快，目前绝大多数已数字化、智能化、内部的控制电路或多或少地由ＣＰＵ芯片完成。但是它的供电部分就显得非常原始，一般情况下仅仅是将一个电池提供的直流电给电子设备，而电池自身的特性、状态等参数均无法向电子设备提供，即不能与相关的电子设备进行数据通信。这样就对电子设备的智能化的提高，带来了新的难题。

如果蓄电池能把各种状态参数通过微处理器进行存储、记录、分析、控制、打印及显示，直观地提供给有关人员，并实现与相关的电子设备的数据通信，即实现数字化，这不仅能够减少人为失误和延长蓄电池使用寿命，而且能够实现相关电子设备的智能控制和无人值守。因此，蓄电池数字化的研究开发，是一项具有重要意义的课题。

数字化电池的概念

数字化电池的确切定义目前还没有统一。这个概念来源于信息业的高速发展，其中主要来源于世界着名的笔记本电脑设计、生产、供应商。在实际应用中，一旦关键时候电池没电，必将产生不可预计的损失，数字化电池的构想就是在这种情况下提出的，有了它，我们就能够及时掌握电池供电的工作状况，就可以事先有所准备，及时的替换。这里所说的工作状况应包含以下方面：
（1）当前电池的端电压大小、充放电电流大小，充放电时间；（2）当前电池的内阻，剩余容量，剩余充放电时间，电池温度；（3）当前电池的充放电次数，使用寿命。

在实际开发中，研究人员发现，仅了解蓄电池的工作状态并不能满足我们对电池的要求，还需要蓄电池能够与相关电子设备进行数据传递，以实现电池切换、电池充电等自动控制。

由上可知：所谓的数字化电池，它包含一块普通可充电电池，一个数字化电池控制模块，以及通信接口，完成数字化电池的各项测控管理和数据通信功能。除了能够对上述工作状况以数字的形式进行直观精确的显示（或者提供），还应能提供电池的背景讯息和身份数据（如电池的制造日期、制造商数据等）；在充电过程中具有相应的保护报警措施（如过压保护，超温报警等）；同时它应符合某种通信协议（如系统管理总线SMBus），具有与主机、智能充电控制器等通信的接口，能够进行信息传递与控制。

数字化电池现状及开发应用价值

数字化电池首先由国外开始研制。早在1995年，美军已经有数字化电池装备部队，但这些电池数字化程度不高，通用性不强。根据网上有限信息搜集得知，国外研制开发的数字化电池主要由可充电电池、控制模块等组成，其中控制模块的软件部分应符合特定的通信协议。由数字化电池构成的数字化电池系统硬件包括：系统主机、数字化电池（可以是一只，也可以是若干只）、智能充电控制器、AC/DC变换器及传输数据的总线网络。

软件包括传输数据的通信协议、数据处理平台和嵌入式操作系统以及相应的程序。国外有很多的公司和企业参与数字化电池的研究开发，Intel公司和Duracell公司联合生产数字化电池，这款产品命名为PowerSmart，符合SBS（智能电池系统）标准。摩托罗拉公司也在开发能被广大用户接受数字化电池。德国的电池业巨头Varta公司和Duracell公司合作正在开发新一代数字化电池，这款电池不久就会面世。

从电池行业的第十个五年计划得知，美、日、欧占全球电池市场的70％。消耗电池中，美国年人均达25只／人；日本年人均达20只／人。而中国年人均消耗电池不足7只。所以，电池在中国有很大的市场。中国的电池行业把重点放在了无汞碱锰电池、氢镍动力电池、锂离子电池、全密封免维护铅酸蓄电池、车用动力电池、燃料电池、太阳能电池的开发和生产上。在部队中，二次电池如镉镍、氢镍蓄电池在大量装备使用，军用锂离子蓄电池也在研制中，不久将装备部队，在未来一段时间内，将出现三种蓄电池并存的现象。

到目前，只有极少数单位或研究机构在进行数字化电池的研究开发，只有几种数字化电池研制品，还没有开发出完整的数字化电池系统。因此，在我国二次电池数字化，具有很大的发展空间。同时，二次电池数字化后，人们在用数字化电池供电时，不至于在正常的工作中突然掉电而影响工作和造成一定的损失；可以合理或者说更科学的使用电池，不会对电池过放电和过充电，可以有效的延长电池的使用寿命；精确的显示电池数据和给主机提供数据，可有效的对电池各个状态进行相应的控制和处理；对电池的最终老化也会有告警提示；所以电池相应有了自珍断能力；构成数字化电池系统就可以进行远程监视电池的使用，并利用可靠的数据进行高效的能源管理。因而，数字化电池也具有很高的推广应用价值。

数字化电池的相关技术

由于数字化电池内置智能芯片，通过与智能化充电机数据交换，可实现电池型号识别，剩余容量及循环次数显示等功能，大大提高了电池的性能和使用寿命。智能化镉镍蓄电池系列、智能化氢镍蓄电池系列及智能化锂离子蓄电池系列将是重要发展方向。但智能化与非智能化的镉镍蓄电池系列和氢镍蓄电池系列将会并存一段时期，直至智能化电池完全取代非智能化电池。因此，对数字化电池的开发应尽早着手，以尽可能地提高我国电池工业水平，做到与国外同步。通过大量查阅国外数字化电池研究相关资料，并与有关专家及生产厂家进行研讨，笔者认为数字化电池的研究开发应着眼于以下方面：

（1）数字化电池的相关标准。国外数字化电池己初步形成了某些行业标准，比如，数字化电池与其它控制设备的通信协议。我们的数字化电池要具有兼容性，就要充分了解有关标准协议，若能制定出我们自己的完善的体制标准，就会更有利于我国数字化电池的开发研制和形成系列产品。如果有统一的数字化协议，电池制造商则可以自行开发或委托其他公司开发数字化电池，投入少、见效快，同时也成为电池产品提高了附加值。统一的电池数字化协议将有助于他们减少产品品种，相对提高产量，降低产品售价。统一的电池数字化协议将使各有关厂商受益，在市场上实现多赢的局面。

（2）镉镍、氢镍蓄电池及锂离子蓄电池等电池的特性研究。只有对这些电池的特性有了详细的了解，我们才能够对其各种性能指标进行检测和控制，为电池的数字化提供第一手资料，同时，也可以为智能化充电控制器等相关电子设备的设计开发提供借鉴。

（3）数字化电池的动态数据采集处理技术。主要对电池电压、电流、温度等数据进行采集，进行数字量化处理后，得出精确的电压、容量、内阻、温度数据在LCD上显示或用于通信传输。

（4）数据通信技术。数据通信是实现电池数字化的一项重要内容，现有的国外数字化电池的通信其标准是：SMBusV2.0。电池的动态数据经过处理后，按标准格式通过传送驱动程序通过接口与其它电子设备（或者主机）的CPU进行源源不断的数据传输，如果是数字化电池系统，主机就可以根据电池的当前状况采取相应的措施。

（5）数字化电池的智能化充电控制技术。与数字化电池相配套的智能充电技术必须能够与数字化电池进行通信和实现自动快速充电控制。目前，先进的充电器已实现数字化、智能化，充电器的各种操作均由微处理器完成，能够实现电池种类判断、根据用户要求选择充电电流、多种充满判定方式、多种保护措施、电池的充电容量显示、多路电池同时或顺序充电、电池充满的声光提示等功能，充电方式可以是恒流、恒流恒压并辅以下拉负脉冲的方式，可以增加电池的维护功能，通过对电池的维护提高电池的寿命，并且可以用为交流适配器直接给移动电子设备供电。

数字化电池是二次电源开发应用的一个崭新的课题，数字化电池的优点也是其它非数字化电池所不能比拟的，它的研究开发和推广应用，不仅会给电池行业注入新的活力，更会对人们的生产和生活提供很多方便，具有重要的现实意义。

对于锂离子电池包制造商来说，针对电池供电系统构建安全且可靠的产品是至关重要的。电池包中的电池管理电路可以监控锂离子电池的运行状态，包括了电池阻抗、温度、单元电压、充电和放电电流以及充电状态等，以为系统提供详细的剩余运转时间和电池健康状况信息，确保系统作出正确的决策。此外，为了改进电池的安全性能，即使只有一种故障发生，例如过电流、短路、单元和电池包的电压过高、温度过高等，系统也会关闭两个和锂离子电池串联的背靠背（back-to-back）保护MOSFET，将电池单元断开。基于阻抗跟踪技术的电池管理单元（BMU）会在整个电池使用周期内监控单元阻抗和电压失衡，并有可能检测电池的微小短路（micro-short），防止电池单元造成火灾乃至爆炸。

锂离子电池安全

过高的工作温度将加速电池的老化，并可能导致锂离子电池包的热失控（thermal run-away）及爆炸。对于锂离子电池高度活性化的含能材料来说，这一点是备受关注的。大电流的过度充电及短路都有可能造成电池温度的快速上升。锂离子电池过度充电期间，活跃得金属锂沉积在电池的正极，其材料极大的增加了爆炸的危险性，因为锂将有可能与多种材料起反应而爆炸，包括了电解液及阴极材料。例如，锂/碳插层混合物（intercalated compound）与水发生反应，并释放出氢气，氢气有可能被反应放热所引燃。阴极材料，诸如LiCoO2，在温度超过175℃的热失控温度限（4.3V单元电压）时，也将开始与电解液发生反应。

锂离子电池使用很薄的微孔膜（micro-porous film）材料，例如聚烯烃，进行电池正负极的电子隔离，因为此类材料具有卓越的力学性能、化学稳定性以及可接受的价格。聚烯烃的熔点范围较低，为135℃至 165℃，使得聚烯烃适用于作为热保险（fuse）材料。随着温度的升高并达到聚合体的熔点，材料的多孔性将失效，其目的是使得锂离子无法在电极之间流动，从而关断电池。同时，热敏陶瓷（PCT）设备以及安全排出口（safety vent）为锂离子电池提供了额外的保护。电池的外壳，一般作为负极接线端，通常为典型的镀镍金属板。在壳体密封的情况下，金属微粒将可能污染电池的内部。随着时间的推移，微粒有可能迁移至隔离器，并使得电池阳极与阴极之间的绝缘层老化。而阳极与阴极之间的微小短路将允许电子肆意的流动，并最终使电池失效。绝大多数情况下，此类失效等同于电池无法供电且功能完全终止。在少数情况下，电池有可能过热、熔断、着火乃至爆炸。这就是近期所报道的电池故障的主要根源，并使得众多的厂商不得不将其产品召回。

电池管理单元（BMU）以及电池保护

电池材料的不断开发提升了热失控的上限温度。另一方面，虽然电池必须通过严格的UL安全测试，例如UL1642，但提供正确的充电状态并很好的应对多种有可能出现的电子原件故障仍然是系统设计人员的职责所在。过电压、过电流、短路、过热状态以及外部分立元件的故障都有可能引起电池突变的失效。这就意味着需要采取多重的保护——在同一电池包内具有至少两个独立的保护电路或机制。同时，还希望具备用于检测电池内部微小短路的电子电路以避免电池故障。

电量计电路设计用于精确的指示可用的锂离子电池电量。该电路独特的算法允许实时的追踪电池包的蓄电量变化、电池阻抗、电压、电流、温度以及其它电路信息。电量计自动的计算充电及放电的速率、自放电以及电池单元老化，在电池使用寿命期限内实现了高精度的电量计量。例如，一系列专利的阻抗追踪电量计，包括bq20z70，bq20z80以及bq20z90，均可在电池寿命期限内提供高达1%精度的计量。单个热敏电阻被用于监测锂离子电池的温度，以实现电池单元的过热保护，并用于充电及放电限定。例如，电池单元一般不允许在低于0℃或高于45℃的温度范围内充电，且不允许在电池单元温度高于65℃时放电。如检测到过电压、过电流或过热状态，电量计IC将指令控制AFE关闭充电及放电MOSFET Q1及Q2。当检测到电池欠压（under-voltage）状态时，则将指令控制AFE关闭放电MOSFET Q2，且同时保持充电MOSFET开启，以允许电池充电。

AFE的主要任务是对过载、短路的检测，并保护充电及放电MOSFET、电池单元以及其它线路上的元件，避免过电流状态。过载检测用于检测电池放电流向上的过电流（OC），同时，短路（SC）检测用于检测充电及放电流向上的过电流。AFE电路的过载和短路限定以及延迟时间均可通过电量计数据闪存编程设定。当检测到过载或短路状态，且达到了程序设定的延迟时间，则充电及放电MOSFET Q1及Q2将被关闭，详细的状态信息将存储于AFE的状态寄存器，从而电量计可读取并调查导致故障的原因。

对于计量2、3或4个锂离子电池包的电量计芯片集解决方案来说，AFE起了很重要的作用。AFE提供了所需的所有高压接口以及硬件电流保护特性。所提供的I2C兼容接口允许电量计访问AFE寄存器并配置AFE的保护特性。AFE还集成了电池单元平衡控制。多数情况下，在多单元电池包中，每个独立电池单元的电荷状态（SOC）彼此不同，从而导致了不平衡单元间的电压差别。AFE针对每一的电池单元整合了旁通通路。此类旁通通路可用于降低至每一单元的充电电流，从而为电池单元充电期间的SOC平衡提供了条件。基于阻抗追踪电量计对每一电池单元化学电荷状态的确定，可在需要单元平衡时做出正确的决策。

具有不同激活时间的多极过电流保护限（如图2所示）使得电池包保护更为强健。电量计具有两层的充电/放电过电流保护设定，而AFE则提供了第三层的放电过电流保护。在短路状态下，MOSFET及电池可能在数秒内毁坏，电量计芯片集完全依靠AFE来自动的关断MOSFET，以免产生毁坏。

当电量计IC及其所关联的AFE提供过电压保护时，电压监测的采样特性限制了此类保护系统的响应时间。绝大多数应用要求能快速响应，且实时、独立的过电压监测器，并与电量计、AFE协同运作。该监测器独立于电量计及AFE，监测每一电池单元的电压，并针对每一达到硬件编码过电压限的电池单元提供逻辑电平输出。过电压保护的响应时间取决于外部延迟电容的大小。在典型的应用中，秒量级保护器的输出将触发化学保险丝或其它失效保护设备，以永久性的将锂离子电池与系统分离。

电池包永久性的失效保护对于电池管理单元来说，很重要的一点是要为非正常状态下的电池包提供趋于保守的关断。永久性的失效保护包括了过电流的放电及充电故障状态下的安全、过热的放电及充电状态下的安全、过电压的故障状态（峰值电压）以及电池平衡故障、短接放电FET故障、充电MOSFET故障状态下的安全。制造商可选择任意组合上述的永久性失效保护。当检测到任意的此类故障，则保护设备将熔断化学保险丝，以使得电池包永久性的失效。作为电子元件故障的外部失效验证，电池管理单元设计用于检测充电及放电MOSFET Q1及Q2的失效与否。如果任意充电或放电MOSFET短路，则化学保险丝也将熔断。

据报道，电池内部的微小短路也是导致近期多起电池召回的主要原因。如何检测电池内部的微小短路并防止电池着火乃至爆炸呢？外壳封闭处理过程中，金属微粒及其它杂质有可能污染电池内部，从而引起电池内部的微小短路。内部的微小短路将极大地增加电池的自放电速率，使得开路电压较之正常状态下的电池单元有所降低。阻抗追踪电量计监测开路电压，并从而检测电池单元的非均衡性——当不同电池单元的开路电压差异超过预先设置的限定值。当出现此类失效时，将产生永久性失效的告警并断开MOSFET，化学保险丝也可配置为熔断。上述行为将使得电池包无法作为供电源并因此屏蔽了电池包内部的微小短路电池单元，从而防止了灾害的发生。

小结

电池管理单元对于确保终端用户的安全性是至关重要的。强健的多极保护——过电压、过电流、过热、电池单元非均衡以及MOSFET失效监测，极大地改善了电池包的安全性。通过监测电池单元的开环电压，阻抗追踪技术可检测电池内部的微小短路，并进而永久性的失效电池，确保了终端用户的安全。

到2020年，我国规划非化石能源所占比例将达到能源消费总量的15%。风能、太阳能等可再生能源将广泛应用，可再生能源的发展势不可挡。而可再生能源最大的特点是间歇性、不连续性和不稳定性，这给电网带来了很多令人头疼的问题。电网是平衡电源和负荷的，对于电网来说两端都随机而变为不可控，就必须发展一种技术来解决这个问题。而这一技术正是近年的“风光”无限好带出的另一热点话题———电池储能。

电力作为商品，一直有一个课题短板，那就是存储。电力面对的系统是即发即放，系统稳定安全运行的原因在于电源端可置信、可调控、负荷随机，可以利用一些技术手段来平衡负荷。但是可再生能源接入电网后，这种方式就发生了根本性的转变，不再是根据需求来发电，而是根据资源来发电。

西门子能源业务领域输配电集团首席执行官UdoNiehage曾说过，今后的电网发展趋势是“传统的‘用电负荷决定发电量’的方式，向‘用电量将取决于发电量’转变。”随着可再生能源使用的增加，这种趋势将愈加明显。

储能的本质是实现对电能的存储，并在需要时释放。这一技术的出现，彻底改变了电力系统生产、输送和使用必须同时进行的模式。普及应用可再生能源应用到电网，储能是必不可少的环节。对于电力系统发输配等各环节来说，都需要储能技术的支撑。可再生能源接入电网中，也不是仅仅靠储能来解决全部问题的，这实际上是一个庞大的系统，需要综合解决。国际上已可见的方式是利用需求侧管理，如电动汽车、热电联动、节能设施等系列综合应用，来解决可再生能源后时代问题。

而这些措施都属于研发阶段，其有效性仍不明确。实际上，储能是当今公认的一个比较有效的手段，它可作为承担接纳可再生能源的角色之一，从科研的发展角度来看，近年储能技术的异军突起让业界看到了一线希望。

从我国风能和太阳能发电的规划看，2015年风力发电装机容量达到150吉瓦。同时，我们又看到，根据电监会《风电、光伏发电情况监管报告》显示：截至2010年上半年，我国因风电无法上网而导致的弃风达27.76亿千瓦时。弃风现象也比较严重，如何真正做到有效利用可再生能源发电成为了市场关心的重点。

而大规模高效储能技术正是实现风能、太阳能等可再生能源普及应用最有效的核心技术，是提高电网的调峰能力和可再生能源并网的兼容能力，构建坚强智能电网的关键技术。

发展储能技术实际是在探索电力系统发展新方式。中国电力科学研究院超导电力研究所所长来小康在2011储能系统产业发展论坛上表示，“按峰时负荷增容的趋势如此发展下去，现在的资源已经不能支撑我们的发展了，削峰填谷的实际意义是电网的改造方式发生变化，通过储能技术让电网由功率传输向电量传输方向转型。

储能技术是比较复杂涉及多学科，而且是不断更新换代的战略性前沿技术。我们现在看储能技术并非一个成熟的技术，离大规模商业化运行还有一段距离，但可以肯定是具备强大发展潜力的技术。”