BMS 被称为汽车电池的“调音师”,是释放动力电池性能的关键因素,随着纯电动汽车逐渐普及,安全问题突显,BMS 面临着怎样全新的使命?在与非网策划的BMS的新使命》专题中,我们特邀安徽优旦科技有限公司创始人兼总经理彭勇俊先生参与本期讨论。

 

针对 BMS 技术,芯片厂商面临诸多挑战。作为新能源汽车最核心电控部件之一,BMS 不可避免地面临成本、品质、交付等诸多挑战,在采访中,彭勇俊向与非网记者解释,“我们认为最大的挑战还是在‘如何将锂电池管理得更好’这个核心命题上。成本、品质、交付方面的提升有大量成熟的传统汽车电子经验可以借鉴,但车用动力锂电池作为一个相对年轻的新兴应用产品,在对其全生命周期高效管理方面还存在很多新的技术领域有待进一步研究探索,如电池模型、参数标定、管理算法和策略等。芯片厂商需要立足可靠性、采集精度及计算能力等方面做进一步提升,为‘将锂电池管理得更好’提供更加坚实的物理基础和资源保障。”

 

安徽优旦科技有限公司创始人兼总经理 彭勇俊

 

BMS改善续航里程和充电时间的关键点

相对燃油汽车,续航里程短、充电时间长一直是电动汽车的痛点,BMS 从哪些方面可以改善电动汽车的续航里程和充电时间?针对这一问题,彭勇俊从三个方面分析了 BMS 对电动汽车续航里程的改善:

 

第一, 提高电池的均衡效率。大家都知道一个电池系统由很多节电芯组成,并且遵循木桶效应,即电池系统的性能很大程度上取决于性能最差的那节电芯,提高电池均衡效率,提升电芯一致性,可以切实延长车辆的续航里程;

第二, 提高刹车或车辆下坡过程中的能量回收效率。好的能量回馈控制算法需要在确保电池应用安全前提下尽可能充分地发挥电池充电性能,通过对 SOC、温度、瞬时充电功率、持续充电功率的实时运算得出当前最高效的回馈功率策略;

第三, 提高 SOC 的估算精度。这也可以理解为从另外一个维度提升续航里程,即用户对真实电量掌握得越准确,就越有信心使用更大范围的 SOC 区间。

 

关于如何缩短充电时间,他认为,“充电时间可以在保证安全的情况下,通过提高充电功率来缩短充电时间。提高充电功率的有效方法是良好的热管理策略,根据电池系统的热力模型对温度进行预测性调节,使电池在整个充电过程中都处于最佳温度条件,热管理策略需要随着电池老化持续调整。”

 

防止电池的电滥用是确保安全的前提

电动汽车的安全问题一直是行业关注的焦点,也是产业健康发展的根基,而且目前电动汽车的安全问题大部分和电池系统直接或间接相关。BMS 作为电池系统的大脑,主要是防止电池的电滥用,可以从一下几个方面进行防护:

 

第一,温度防护。BMS 有明确的工作温度阈值设置,针对充放电均有最高最低的温度限制,超过设置限制,系统不得开启或者必须降功率运行;

第二,电压防护。针对过充过放风险,BMS 设置有最高最低的充电和放电电压阈值,确保在触及阈值时,系统自动停止运行;

第三,电流防护。通过高精度电池模型和算法准确估算电池状态,计算出安全高效的可用功率,监控电池的电流,防止过流导致的电池劣化、枝晶等风险。

 

彭勇俊向与非网记者介绍,“高可靠、高精度的信号采样以及软硬件稳定性是电池系统安全的基础,电池模型和算法是电池系统安全的核心。优旦科技 BMS 单体电压采集误差±1mV、温度采集误差±1℃、电流采集误差±0.5%,提供模拟信号的精准采集;软硬件开发过程中严格遵循汽车电子开发和验证流程,应用 MBD 开发模式,确保系统稳定;高精度电池充放电模型、功率池模型等配合高鲁棒性算法实现,确保电池状态估计准确。”

 

电池寿命一直是电动汽车面临的重要课题,几乎所有的电池厂商都在通过技术研发延长电池使用寿面,从而降低用户使用成本。彭勇俊分析,影响电池寿命的因素及对策有以下几方面:第一,化学体系很大程度上决定了锂电池的寿命。电池厂可通过改进电池化学体系提升电池寿命;第二,温度影响电池寿命。充放电循环过程中,温度越高,电池寿命衰减越快。为减少温度对寿命的影响,电池成组时需要考虑热场均衡,并制定合理的 BMS 热管理策略,使电池最大程度地工作在适合的温区;第三,电流影响电池寿命。过大的充放电电流会导致电池内部不可逆的化学和物理反应,造成电池容量不可恢复性的衰减。针对这部分的影响,可通过优化 BMS 中 SOP 算法进行功率预测,确保充放电功率在电池可承受范围。放电深度影响电池寿命。浅充浅放有助于延长电池寿命。针对放电深度的影响,电池包设计时可考虑适当预留容量,避免深度放电。

 

打破传统BMS的桎梏,iBMS基于大数据进行有益探索

随着对锂电池精益管理要求的日益提升,传统 BMS 正面临诸多挑战。锂电池就像一个生命体,在全生命周期中其状态受多重影响因子交叉作用,很难有一个“完美”模型可以一劳永逸地表征其全部变化特征;另外,基于实验室样本数据的 BMS 参数标定,也无法精准匹配电池应用全过程,必须在过程中加以持续修正;此外,面对复杂算法,片上系统的存储及运算能力受限,或扩展成本高企。“世界上没有完全相同的两片树叶”,但传统 BMS 却以出厂时统一设定的管理算法、参数和策略批量管理着状态时刻变化的不同锂电池,管理效能可想而知。

 

优旦科技在业内率先提出智能电池管理系统 iBMS 的理念,倡导基于大数据的云端协同管理策略,并做出有益探索。iBMS 终端模块集成双向无线数据传输单元,在监控、管理电池的同时将电池运行数据实时上传云端,利用云端服务器近乎无限的存储能力和运算能力,针对非平稳变化、多维度海量电池数据,基于机器学习方法构建大数据分析模型,持续迭代匹配电池最新状态的管理参数并无线下发,进而实现对锂电池更为强大的云端协同管理、全生命周期管理和个性化管理。

 

目前优旦科技已经完成技术突破并实现产品化的云端协同管理策略有:

第一, 云端状态联合估计。实现高抗噪性、低误差、高鲁棒性、快速收敛的电池荷电状态(SOC)、能量状态(SOE)、功率状态(SOP)、健康状态(SOH)、剩余可用寿命(RUL)等电池状态云端联合估计,提升电池应用体验,延长电池使用寿命。

第二, 云端全时均衡。针对大容量电池组不一致性带来的整体性能下降和健康状况恶化现象,基于云端海量数据拟合每个单体充电数据曲线,进而计算出单体之间的容量差异并精准预计均衡时间,通过服务器下发控制指令至终端模块进行均衡执行,相较传统 BMS 均衡效率提升 80%以上。

第三, 云端主动安全管理。依据路径规划、环境温度、实时路况等多源信息,在云平台边缘侧实时调整电池充放电功率管理策略和热管理(加热或制冷)策略,保证动力电池系统的安全可靠运行;基于云端数据跟踪不同工况环境下的电池输入、输出特性及电池性能的演变轨迹,建立电池全生命周期故障诊断机制;通过云平台辅助高压回路接触电阻趋势判断和电池系统热场变化分析,对电池亚健康状态进行及时预警和干涉。

 

关于未来 BMS 的整合优化空间,彭勇俊认为,“广义上可以从硬件、软件两个维度来理解 BMS。硬件通常由传感器、运算器、执行器等部件构成,随着硬件能力尤其是芯片能力的提升,为 BMS 在硬件范畴上与整车其他电控部件进行整合提供可能,以实现更高集成、更优成本,比如现在很多主机厂提出的域控制器概念正是基于这种思考,未来 BMS 可能不会作为一个独立硬件模块而存在。但无论硬件形态如何演变,软件范畴的 BMS 核心本质是不会变化的,面向多时间尺度、多应力因素的电池模型和复杂工况下高精度、高鲁棒性状态管理算法,永远是实现对电池安全、精准、高效管理的灵魂所在。”