AGV的重要部件—锂电系统

   上篇浅析了AGV的发展史，今天我们再谈谈AGV的重要部件—锂电系统。AGV锂电系统为AGV系统提供能量源泉，它对于AGV的作用，就像是心脏对于一个人的重要性，没有电池能量支撑的AGV只能是一躯漂亮的空壳。既然AGV锂电池对于AGV车而言如此重要，那么在选择的时候，需要注意的问题有哪些呢？以下我们将做进一步介绍。 一款安全高效的锂电池PACK是由一个或者多个电池模组集合而成的，电池模组由单体电芯串并组成。最后加入电池的大脑—电池管理系统(BMS)，这样就组成了最后提供给用户直接使用的产品—锂电池PACK。以下我们一起探讨下核心部件电芯及BMS的选择。

      电芯作为PACK的核心组成，目前以电芯的外形分类主流分为三大类：方壳、圆柱、软包（聚合物电池）。从材料上分，主要有三元和磷酸铁锂电芯。客户可能受某种潜意识的影响，在锂电池电芯三种结构形式中（方形铝壳、圆柱、软包）会认为某种某种结构形式会更好的。其实这是一个误区，理论上任何一种结构形式的电芯都可以用于AGV锂电池，但是从我们的经验看软包电芯处理起来工艺复杂程度高很多，一般工业车辆也很少采用，故不做过多的介绍，以下我们重点了解最为常用的圆柱体电芯与方形铝壳电芯。

一、小容量的灵活性优势

       圆柱电芯由于尺寸和工艺限制，单颗电芯容量通常较小，例如18650三元电芯3.5Ah、32700铁锂电芯6Ah、33140铁锂电芯15Ah、34190铁锂电芯20Ah等。抛开电动汽车以及大型储能市场领域来看，在其他领域，如特种车辆(AGV)、便携式储能、家庭储能等通常单模组电池容量并不是很大，在实际应用中定位于汽车和大型储能的大容量方块电芯并不一定刚好匹配市场需求，包括尺寸、容量等。而小容量圆柱电芯可以通过串并联形式满足一定市场需求的电池模组容量需要，例如应用于AGV小车的锂电池24V60Ah和48V30Ah两种型号是比较普遍的需求，采用圆柱32700、33140以及34190等3种型号都可以并联组合成需要的60Ah或者30Ah模组，同时可以在空间结构上有更多的灵活操作可能性，满足不同车型的设计需求。

二、圆柱电芯的成本优势

     1、所有锂离子电芯的生产制造中，圆柱电芯的工艺标准化程度是最高的，也是最早商业化的电芯，装配效率明显高于方块电芯。圆柱电芯的卷绕工艺随着自动化程度的逐步提升目前达到200PPM的水平，即使大圆柱(例如33140、34190等)效率低于传统的18650/21700圆柱电芯，但也远高于方块电芯、软包电芯的叠片工艺或者卷绕工艺效率(通常在10PPM左右)。

     2、圆柱电芯容量小的原因是将涂布之后的带状连续极片分切为条状的小极片，极片小型化可以提高整个极片物料的利用率，比如极片涂布中有局部区域有瑕疵，也只需损失一小片极片物料，相对于方形电芯和软包电芯的单个极片而已，圆柱电芯极片面积小很多而导致物料损耗大为降低。通常在相同的筛选标准下、自动化水平等条件下，圆柱电芯的物料利用率高于方形电芯3-5%以上。

三、圆柱电芯也有其短板 

圆柱外形导致某些壳体空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多(18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右)，因此单体容量较小，应用在AGV系统需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和BMS管理复杂度都大大增加。

一、能量密度比高

      方形锂离子电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，方形电池的普及率在国内很高，随着近年汽车动力锂电池的兴起，汽车续航里程与电池容量之间的矛盾日渐突显，国内动力锂电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池为主，因为方形电池的结构较为简单，不像圆柱电池采用强度较高的不锈钢作为壳体及具有防爆安全阀的等附件，所以整体附件重量要轻，相对能量密度较高。

二、电池PACK一致性控制更好

      电芯的一致性是电池PACK中最为头痛的事，电芯数量越多，一致性越难控制。假设一枚电芯的次品率是十万分之一，圆形电芯电池组由7000根18650组成，方形电芯电池组由250块电芯组成，一块电池组没有次品视为合格。那么圆形电芯电池组的合格率为0.99999^7000=93.2%，方形电芯电池组的合格率为0.99999^245=99.7%。当然关于电池一致性的理论知识比这复杂得多，举例只是为了说明使用单体容量更大、数量更少的方形电芯电池组更有利于控制一致性。一致性好的电池PACK循环寿命长。

三、缺点

      可以根据搭载的产品具体需求进行定制化设计，不过这也导致了它不同的尺寸，制造上没有明确的标准。无论是制造工艺还是应用标准，并没有像圆柱形电池那样明确的标准划分。市场上有着众多不同型号的方形锂电池。而过多不同型号的锂电池，将会导致工艺很难统一，使得自动化水平不高，单体差异性较大，也可能存在成组的方形锂电池包远低于单个锂电池的寿命。方形电池边角处化学活性能较差，长期使用电池性能下降较为明显。

       以上重点探讨了圆柱体与方形的优缺点，适合的电芯选好后，下一步的重点将是电池管理系统的选择，以及模组的设计布局。下面我们将重点介绍电池管理系统BMS。

      BMS全称是Battery Management System，电池管理系统。它是配合监控电池状态的设备，主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。一般BMS表现为一块电路板，或者一个硬件盒子。

      BMS是电池系统的核心子系统之一，负责监控电池单元内各电池运行状态，保障各单元安全可靠运行。BMS能够实时监控、采集电池的状态数据（包括但不限于单体电池电压、电池极柱温度、电池回路电流、电池组端电压、电池系统绝缘电阻等），并对相关状态参数进行必要的分析计算，得到更多的系统状态评估参数，并根据特定保护控制策略实现对电池本体的有效管控，保证整个电池单元的安全可靠运行。同时BMS可以通过自身的通信接口、模拟/数字输入输出接口与外部其他设备（WCS、EMS、消防系统等）进行信息交互，形成整个安全系统内各子系统的联动控制，确保电池安全、可靠、高效运行。

一、感知（状态管理）

      感知电池的状态，这就是BMS的基本功能，不管测电压、测电阻、测温度，最后就是一个感知电池状态，我们想知道电池状态什么样，现在有多少能量，多少容量，现在健康状态怎么样，现在有多少功率，现在安全状态怎么样，这就是感知。关于感知方面的详细知识，后面我们再单独篇幅一起学习。这里不过渡深入探讨

二、管理（均衡管理）

     有人将BMS比作电池的保姆，作为保姆需要负责什么呢，就要把这个电池尽可能“营养均衡”，最基本就是均衡管理、热管理。

三、保护（安全管理）

     第一类是乘用车动力电池BMS中最具主导能力的终端用户—车厂，事实上国外BMS制造实力最强的也就是车厂，如通用、特斯拉等；国内有比亚迪、华霆动力等。

     第二类是电池厂，包含电芯厂商与做pack的厂商，如三星、宁德时代、国轩等

     第三类专业的BMS制造商，此类厂商多有多年的电力电子技术积累，有高校背景或相关企业背景的研发团队，主要也是应用于乘用车。 

     当前专注于AGV车体BMS开发的专业BMS厂商还比较少，主要原因是AGV市场还处在初期，市场体量小，定制化强。市场对于未来的发展还存在很大的疑虑，因此绝大部分厂商都没有进入相关BMS的开发。现阶段，各个AGV能源系统供应商提供的BMS缺乏统一标准。不同用户对BMS的设计、定义都不同，而且根据各家适配电池的不同，采用的SOX算法、均衡技术、上传的通信数据内容也各不相同。在BMS的实际应用中，这样的差异会增加应用成本，不利于产业发展。因此，未来BMS的标准化、模块化也将是AGV锂电池一个重要的发展方向。

     以上一起探讨了锂电的两大核心部件，通过以上的探讨我们了解到锂系统属于一个高度定制化的产品，特别是AGV锂电系统。目前没有统一的标准，因此对于一线大型的电芯厂家不一定是最佳的选择，因为他们的小批量定制开发并不是很积极、灵活性差。基本上这块市场都以锂电池PACK(封装)厂为主。因此选PACK厂家，首选资质、证书齐全、有一定规模的厂家，市面上的PACK厂家参差不齐，能做电池PACK的很多，但能坚持使用A品优质电芯且能同时把BMS保护板自己研发生产，并为客户做到定制化服务的厂家为数不多，因此在选择厂家的时候，请仔细甄别，把专业的事情交给专业的厂家去做。