在 2019 年,我国的新能源汽车销量达到了 120 万辆,随着新能源汽车销量不断增加,用户对电动汽车的接受度越来越高。为了保障电动汽车的电池高效、可靠、安全地运行,需要通过电池管理系统(BMS)对动力电池进行实时监控、故障诊断、SOC 估算、短路保护等。BMS 在业内被称为电动汽车动力电池系统的“大脑”,与动力电池、整车控制系统共同构成了电动汽车的三大核心技术。

 

目前,BMS 对延长电池续航里程、缩短充电时间方面会有哪些改善?BMS 在电动汽车安全方面发挥哪些重要作用?BMS 还需要进行哪些整合和优化?

 

在与非网策划的《BMS 的新使命》专题中,我们邀请了意法半导体大中华暨南亚区汽车电子市场及应用部新能源车技术创新中心高级经理姜炯迪先生和市场经理付志凯先生一起参与讨论。

 

意法半导体大中华暨南亚区汽车电子市场及应用部新能源车技术创新中心高级经理 姜炯迪

 

作为新能源汽车的核心能量源,动力电池的续航里程和充电时间一直被用户关注,续航里程短、充电时间长一直是电动汽车的痛点,BMS 是否可以对这一问题进行改善?姜炯迪表示,续航里程主要和电池的容量、能量回收、电机效率以及车重等因素有关。充电时间主要和电池特性、充电桩的电流能力等因素有关。在保证电池安全的前提下,BMS 可以最大限度的使用电池能量以及提高能量回收效率,并最大限度的提高充电电流来提高充电速度。在充放电过程中,BMS 通过实时的对电池外特性参数(如电压,电流,温度等)进行监控,再采用适当的软件算法实现对电池的内部状态(SoC,SoH)的检测和控制,然后通过热管理,电池均衡管理以及充放电管理使电池处于最佳的工作状态,不会达到过放或者过充,同时最大限度提高充电电流。”

 

意法半导体大中华暨南亚区汽车电子市场及应用部新能源车技术创新中心市场经理 付志凯

 

打造完整系统保证电动汽车安全

电动汽车的安全是要保证全生命周期的安全,包括高压零部件的设计,存储与运输和装配,以及车辆存放,充电,驾驶,事故,检修维修和保养过程中以及电池回收处理的安全性。当然电池包作为电动车的能量来源,安全性尤为重要,主要包括高压安全(比如漏电也就是绝缘失效)和热失控(引起燃烧爆炸)2 种模式。在整车系统中,直流超过 60V 就要考虑高压安全,电动车的峰值功率要到达 100kW 以上,电池系统的母线电压目前已达到 400V 左右,将来也可能会升级到 800V 左右,所以高压安全极为重要;同时,锂电池只有几伏的电压,目前一套电池系统需要 100 个左右的电池串联,而且为了增大电池容量,还需要并联若干电池,这意味着 BMS 需要管理成百上千的电池,对电池管理的设计极具挑战。

 

BMS 要根据实时的电池的外特性参数(如电压,电流,温度)以及历史记录估算出电池的状态,诊断电池管理系统的状态,进行相应的故障处理机制,比如报警,降额功能使用,或切断电池系统等等。姜炯迪对与非网记者解释,“ST 有 30 多年的汽车电子开发经验,针对 BMS,ST 可以能够提供完整的系统解决方案,该方案主要由高可靠性系统的基础电源芯片 L9396、高安全特性的 PowerPC 架构的 MCU(SPC57x/58x)、以及紧急断开电池系统的 L9678 组成,支持 AUTOSAR,功能安全 ASILD,HSM 以及 FOTA。”

 

他还表示,“对于模拟前端芯片,可以通过单一芯片 L9963 简化设计实现 ASIL D 的要求;具有全温度范围内行业领先的采样精度;低成本、高抗扰的高速隔离的双向菊花链;每个通道独立的 ADC 能够实现真正的电池电压 0us 同步采样以及冗余的电压采样;支持模组之间跨接 bus-bar 负压的应用;支持内部均衡同时开启以提高均衡效率;最大化的简化外围电路设计以降低系统成本。”

 

应对安全和成本挑战,加大高附加值软件投入

安全性和成本是 BMS 面临两大挑战,前面已经对安全性问题做了分析。在成本方面,ST 会持续优化系统设计,最大化的集成外围元器件,支持客户优化系统成本。

 

付志凯分析,“与此同时,随着汽车迭代速度越来越快以及功能越来越多,这就要求 BMS 的开发周期越来越短以及系统越来越复杂,同时还要满足 AUTOSAR,功能安全,Cyber security(网络安全)以及在线实时刷新 FOTA 等等,这样客户对芯片厂商的支持力度和响应速度都有很高的要求。ST 提供完整的系统解决方案包括硬件设计以及 BSW 软件,相当于给客户提供一个 base 设计,客户可以根据自己的具体需求在该方案上基础上做些调整,大大降低客户的开发周期,而且客户可以把精力放在对客户附加值更高的应用层软件上来。”

 

目前 BMS 主要有主从式、一体式、半集中式。未来在整车架构上面,会简化部分 BMS 的功能到其他模块,比如高压测量、高压继电器的控制和诊断以及热管理,使 BMS 的功能更加集中在单体电芯的测量功能(电压、电流、温度等)和保护上面。

 

合理地电池包热设计提高电池寿命

除了电动汽车的续航里程是目前的一大痛点,电池寿命也是电动汽车厂商面临的重要课题,厂商在通过各种方式延长电池的寿命。从结构上来看,单体电芯是由正极材料,负极材料,电解液,隔膜,电气元件和结构件组成,其中正负极材料和电解液对电池的性能尤为重要。电池在使用过程中反复充电,由于电池内部正负极材料消耗和副反应不断发生使得电池性能衰退,造成电池寿命下降。

 

在付志凯看来,电池内部是电化学反应,电池在高温环境中副反应的发生速度和概率大大提高,不仅影响寿命,甚至带来安全问题;合理的电池包的热设计,控制电池一直工作在适当的温度,可以提高电池使用寿命。尽量减少电池的充放电倍率,高倍率充放(快充,快放)电会使电池极化,极化的内阻在充放电电流的作用下产生大量的热,会加剧电池内部副反应。避免深度放电(DoD),深度放电会破坏电极材料的晶体结构,会减低电池寿命。