一、行业背景
　　
　　1.行业概况
　　
　　2009年1月,我国开始启动新能源汽车”十城千辆”的推广工程,2012年,国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,次年,财政部颁布了《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》,对2013年～2015年的新能源汽车补贴标准进行调整,一场由中央联合地方的财政补贴也很快到位,并不断加码,这直接导致了2014～2015年我国新能源汽车的爆发式发展,尤其是城市电动公交和电动物流车,贡献了非常大的市场份额。
　　
　　2015年,财政部发布了《关于2016到2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,2017到2020年除燃料电池汽车外其他车型补助标准适当退坡,其中:2017到2018年补助标准在2016年基础上下降20%,2019到2020年补助标准在2016年基础上下降40%。新能源补贴逐步退坡也给新能源汽车发展带来了不小的冲击。在2016年和2017年分别卖出了50.7万辆和77.7万辆的好成绩,连续三年销量全球第一,增速均超过50%。2018年,中国车市出现自1990年以来的首次年度下滑,全年销量止步于2808.06万辆,同比下降2.76%。在整体车市下行的背景环境下,新能源汽车市场成为车市寒冬中的一抹亮色。
　　
　　中汽协数据显示,2018年我国新能源汽车销量同比大涨61.7%至125.6万辆，超额完成此前规划的100万辆销量目标。虽然接下来随着补贴的退坡、双积分政策的实施，加之技术、市场方面的成熟度欠缺，新能源汽车会再次进入一个冷静期，但长远来看一定是未来的大趋势，还将迎来更大的爆发。
　　
　　从趋势上分析,发展新能源汽车的对我国有重要意义,首先,我国汽车工业必须走节能环保发展之路,发展新能源汽车是降低汽车排放污染的有效途径;其次,新能源汽车能源率高,能够摆脱对石油的依赖,是保障国家能源安全的战略措施;最后,发展新能源汽车是培育后金融危机时代新的经济增长点和新型产业的最佳选择,是我国汽车工业实现“弯道超车”的一个良好机遇。
　　
　　2.发展中的“隐患”
　　
　　新能源汽车按动力源划分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车,发展至今,纯电动汽车已经占有重要的地位。尤其值得一提的是,凭借电动公交汽车环保、低运行成本等优势,政策支持,各大城市的公共交通已经由传统公交开始大面积替换成纯电动公交。
　　
　　在城市电动公交普及方面,我国呈现蓬勃发展的格局。据提加商用车网,深圳在城市纯电动公交应用领域深圳走在世界的前沿,早在2017年12月27日深圳市交通运输委举行新闻发布会就宣布全市专营公交车辆全部纯电动化,深圳自此成为全球首个特大型城市中全部纯电动化的城市,累计推广应用纯电动公交车16359辆。与此相应的是,全国各地城市均大力发展电动公交大巴。
　　
　　2018年,新能源汽车迎来又一轮爆发式增长。据中汽协官方数据显示,2018年新能源汽车累计销量破百万辆。随着城市电动公交汽车的普及与发展,发现以锂动力电池为动力的电动汽车的使用寿命不尽如人意,随着时间的推移,电动公交续航里程不达标,不到二至三年就出现了车辆“趴窝”的现象。
　　
　　据《南方都市报》2018年5月31日披露,深圳巴士集团二公司曾于2013年引进60台“五洲龙”纯电动公交车,所有车辆也还处于使用年限内,但才短短几年时间,就有12台车出现续航能力严重不足问题,满电状态下都跑不出100公里,甚至有2台最多能跑55公里!深圳巴士集团有这样类型的新能源公交车5000多台,如果按照10%的比例算,那就是500多台每天都在出现这种运输力不足的状况!
　　
　　二、行业发展的瓶颈
　　
　　锂电池组由单体电池组成,单体电池充放电循环寿命达3000次以上,但成组后的锂电池组为什么只能做到500-600次?在实践中我们发现:电池组的荷电量取决于单体电池中的荷电量最低的那一支电池,即电池组存在“短板效应”。同样在电池组运行2-3年以后发现，电池组的荷电量下降，导致续航里程不达标，原本成组的单体电池在出厂时差异原本不大，为什么应用一段时间后会出这样的情况?
　　
　　这就是电池串联成组引发的问题,应该承认PACK在出厂时由于经过了严格的工艺把关及筛选检验流程,其电池一致性是有保证的,厂家所谓的电池长寿命严格意义上说应该只是指电芯寿命,如果经过严格筛选配组电池一致性符合出厂要求的电芯做并联也可以看做是单体电池的寿命。
　　
　　问题洽洽就出在电池串联成组应用上,尤其是在纯电动汽车的串联成组应用上。影响电池串联成组一致性的主要原因如下:
　　
　　1）电池容量差异
　　
　　2）电池端路电压差异
　　
　　3）电池内阻差异(主要是极化内阻)
　　
　　4）电池自放电率差异
　　
　　5）电池组环境温度变化(充放电引起自身温度变化;季节更替引发环境温度变化;PACK受车内其它产热部件引发温度变化)
　　
　　6）过充电及过放电引发的电压差异(电池组超拐点应用出现的马尾效应)更为突出。
　　
　　我们发现,随着电池组成组特性、使用环境、充/放电策略等不同因素的影响,致使原本差异不大的单体电池出现了差异,即荷电量一致性差异趋于分化,随着积累差异的逐渐增大,电池组充电时一旦达到电池组中的“短板”限制后,便停止串充,从而使电池组无法达到预定“荷电量”即表现为电池组“充不满电”,难以满足实际使用要求,导致电池组寿命不达预期，这是制约行业发展的瓶颈。
　　
　　三、解决方案
　　
　　电池组单体电池一致性差异问题成为制约行业发展的瓶颈,限制了电池PACK厂、整车厂、包括运营公司的发展,同时影响了新能源汽车行业的健康发展。
　　
　　1.现有解决方案
　　
　　为了解决电池组一致性问题,行业从各个方面进行了积极的探索。一方面电池生产厂家积极从材料、工艺方面下功夫,最大可能的提高单体电池的一致性,另一方面从电池组的实际应用管理上入手。然而无论哪种方式都无法解决电池组的一致性问题。
　　
　　电池技术和品质的提升是行业发展的必然,也是行业健康发展的良好表现。然而一致性问题是电池组在实际使用过程中出的问题，抛开单体电池这一“天然因素”,也只能从电池组的实际应用入手。
　　
　　目前市场上大部分车厂、电池厂通过BMS来对电池组进行前期管理来实现延长电池组寿命的办法来解决电池组寿命问题。通过BMS来对电池组进行前期管理目前只有“主动”及“被动”均衡策略(见表1),力图改善电池出厂后一致性变差的问题,通过对电池的高低电压外特性的“互调”,起到调平作用。
　　
　　1）主动均衡策略的缺陷
　　
　　主动均衡看似因明显加大了均衡电流比被动均衡明显提高了均衡效率,但毕竟是通过开关电源均衡仍会存在功率损耗问题。更可怕的是在均衡达到平衡点时,由于稳定状态难以保证,电池间的均衡AB角色转换频繁发生,该功率损耗的持续发生难免会影响到电池的容量损失;
　　
　　主动均衡因为其中一个重要的想法是加大均衡效率,基本做法仍是以动态均衡为主,与被动均衡同样是没有固定参考标准可依的,这样就很难保证达到预想的均衡效果;
　　
　　主动均衡是装在BMS随车应用的,考虑到减小成本及体积重量,大多采用N选1的工作方式,即选择式均衡模式。一个PACK里如出现多只电池差异也要一只只排队均衡,均衡效率大打折扣,这样就会造成组内电池不断进行近乎“折腾式”的均衡,电池也会荷电量越均衡越减少;
　　
　　主动均衡主要是由功率器件构成,因其与BMS做在一起,功率越大发热越大,技术处理不当会对PACK造成一定的安全隐患。
　　
　　2）被动均衡策略的缺陷
　　
　　因被动均衡模式采用的工作方法是整组PACK在串联充电时的动态均衡为主,BMS是在PACK动态状态下进行判断的,由于动态判断时电池电压是在非稳定状态下不断发生变化,其电压标准会随机不断跟随发生变化,不能称其为标准电压,即无固定参考标准可依;
　　
　　均衡电流太小(几十毫安),均衡时间过长;
　　
　　采用放电均衡会增加电池无谓损耗,即电量损失和安全隐患。
　　
　　现有的均衡策略表面上起到了调平作用,使电池的一致性差异得到了改善,电池端路电压长短不一的现象得到了抑制。但相当一部分电池组在使用一段时间后,电池的一致性特性非但没变好,反而加剧了电池容量的衰减速度,因而也就影响了电池的循环寿命,甚至有些方法由于运用不当还会影响到电池的安全性指标。
　　
　　2.威星动力解决方案
　　
　　1）拐点理论的提出
　　
　　从电池本身的电化学特性来分析,首先还要从锂离子电池的特性曲线说起,锂离子电池的电压、电流、容量曲线特性,尤其是新能源汽车领域普遍采用的磷酸亚铁锂电池的曲线特性(见图1),在充电末期和放电末期,其电池曲线呈现明显的指数曲线特征,即超过电池曲线平台的电池电压的陡然升高和迅速降低的“肘弯”处,我们称其为“电池拐点”,从电池特性曲线可以看出,过“电池拐点”时的电池容量无论是充电或是放电都剩之不多,约占电池总容量的95%左右,应该说电池已经接近到了耗尽的状态。从锂离子电池的曲线特性我们还可以进一步看出,单体电池的曲线特性如此,绝不代表成组电池串联在一起后的曲线特性都保持一致,只要电池一旦串联成组就会出现电池组过拐点后呈“扫帚形”发散,我们称其为“马尾现象”,电池初始一致性即使做得再好,电池在使用一段时间后此类现象仍会呈现,导致电池一致性会逐渐变差且不可逆转,这就是问题所在。
　　
　　2）解决方案
　　
　　针对电池组一致性问题导致的电池组寿命问题,我们的解决方案如下:
　　
　　(1)对整组PACK采用先串充后补齐维护手段,可根据维护需要调整维护上限数据,做到有标准可依;
　　
　　(2)通过BMS定期或不定期检查组内电池电压互差的大小及趋势来判断PACK是否需要维护?并可以此(历史数据)判定维护的周期;
　　
　　(3)采用设备外供电以确保维护不会造成电池本身的容量消耗,维护设备以静态离线式维护的方式,以确保PACK最佳的维护效果;
　　
　　(4)维护是离线进行的,对电动车来讲这种维护是非常安全的;
　　
　　(5)通过坚持车辆的定期维护策略,减少个别电池电压冒尖会大大降低PACK的安全隐患。
　　
　　四、实践与探索
　　
　　凭借多年来在BMS领域的经验,威星动力在电池组均衡策略方面进行了积极的实践与探索,开发出了具有全新设计理念的拜伦思牌锂动力电池组维护仪系列产品。维护仪应用于城市电动公交、电动乘用车、电动物流车等用锂动力电池提供电力的领域,经过两年多在国内一些知名电池厂及PACK厂试用,取得了一致好评。自2016年起,我们进行了大量的技术推广和维护作业,部分案例如下:
　　
　　1）珠海银隆电动大巴车
　　
　　2018年12月中旬,我们对珠海银隆电动大巴车进行了维护。
　　
　　被维护车辆采用单体400Ah磷酸铁锂电池,整车电压576V(180串,共计九箱电池组)。该车的初始设计续驶里程是充电一次可跑150Km,2015年投入运营,运营时间不到三年,目前车辆续驶里程充电一次已达不到75Km,已经接近“半趴窝”状态。维护前的电池压差近60mV。
　　
　　修复后运营公司经追踪测试运营效果。整车仪表数据显示该维护设备对整车电池组工作状态及整车续驶里程都有了显著的提升,充电一次续航里程恢复到119Km,剩余电量SOC还有31%,车辆可返回充电站继续充电,电池组压差已明显缩小至30mV以内。
　　
　　2）北京云豪大巴车
　　
　　2018年12月6日,我们对北京云豪大巴车进行了维护。
　　
　　被维护车辆为珠海广通GTQ6118BEV2,车牌京ABX977,2016年12月出厂。采用深圳沃特玛磷酸铁锂电,576V250AH。最高电池电压3.397V,最低电池电压3.348V,压差0.049V电池,SOC:99%。
　　
　　维护后,最高电池电压3.314V,最低电池电压3.301V,压差0.013V电池,SOC98%。经过维护后的电池明显比维护前电压差减小,减小电压差幅度为0.036V,下降幅度73%,维护效果明显。
　　
　　3）其他
　　
　　自2016年起,公司进行了大量的测试和推广工作,在众多实际例证的基础上,充分验证了拜伦思牌锂动力电池组维护仪的维护功效。不仅赢得了整车应用层面客户的好评,也取得了PACK厂家的认可,为解决电池组的寿命问题做出了贡献。
　　
　　五、PACK上维护接口
　　
　　通过近3年的推广工作,由于大部分PACK上不具备“维护接口”,从而大大降低了维护的效率,给维护工作带来了极大的不便。从长期来看PACK加装维护接口是非常必要的。
　　
　　图2是深圳博奥大巴车的维护现场,由于PACK上具有维护接口,维护效率得以提升。
　　
　　六、PACK上维护接口标准化的意义
　　
　　1）采用威星动力维护策略是提升电池组使用寿命的较好解决方案;
　　
　　与现有的主、被动均衡策略相比,威星动力维护策略的效率和效果有了本质的提升,是目前电池组使用寿命得以保证的最好解决方案。解决电池组使用寿命是解决行业发展瓶颈的关键所在。
　　
　　新能源汽车行业快速发展,技术呈百花齐放的状态。然而无论是锂电池、燃料电池还是其他形势均在商用和产业化的过程中发现问题,解决问题,从而走出一条经得起实践检验的道路。
　　
　　目前,国家对新能源汽车的续航里程进行了硬性的规定,而我们的目标不仅仅是达到国家标准,还要尽可能超越,从而提高厂商的竞争力,促进我国新能源汽车走向世界之巅。因此,PACK维护接口标准化具有重要意义。
　　
　　2）PACK维护接口标准化促进行业整体效率；
　　
　　目前,BMS接口也没有标准化的接口,通过PACK维护接口标准化,可以提升BMS与维护等行业提升效率,从而有助于整个新能源汽车行业的效率提升。
　　
　　3）降低成本；
　　
　　主、被动均衡策略是无奈的先择,威星动力维护策略可以有效的替代或者说是技术上的升级,通过PACK维护接口标准,以一带二(BMS接口和维护接口),降低了生产成本。
　　
　　4）提高电池利用效率,减少浪费,提高资源综合利用效率；
　　
　　电池组的使用寿命延长,大大提升了资源的综合利用效率,符合国家节能减排的环境战略。
　　
　　5）电池组寿命问题的解决,缓解了整车厂家与用户之间的矛盾；
　　
　　电池问题已经成为用户的共识问题,从而影响了新能源汽车的推广,整车厂家的品牌受到了致命的打击。威星动力维护策略有效的解决电池问题,从而促进整车厂的品牌建设。
　　
　　综上所述,PACK维护接口标准具有重要意义,有助于行业的健康良性发展。
　　
　　编辑：Harris