电池、电机、电控技术是电动汽车的重要组成部分,三者决定了一款电动汽车的性能与质量。而电控技术的核心是 BMS 系统,BMS 系统直接影响着电动汽车续航里程与充电时长。它负责对电动汽车的动力电池进行安全监控和有效管理,让动力电池在最佳的状态下工作,提高动力电池的效率和可靠性并延长它的使用寿命。因此,BMS 被视为连接电池组、整车系统和电机的“纽带”。

 

随着全球电动汽车销量不断增加,BMS 的市场规模也随之扩大。权威机构数据显示,2018 年全球 BMS 产值规模 53.1 亿美元,2019 年全球 BMS 产值规模超过 60 亿美元,预计 2025 年全球 BMS 产值规模将达到 111.7 亿美元。高工产研电动车研究所(GGII)数据显示,2018 年中国新能源汽车动力锂电池 BMS 产品装机量达到 122 万套,产值规模 55 亿元。由此可以看出,BMS 在电动汽车中发挥越来越重要的作用。

 

 

BMS 电动汽车续航的“止疼剂”

虽然电动汽车被越来越多用户所接受,但是动力电池依然面临续航里程短、充电时间长的痛点。“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。”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分析,“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。”

 

针对电池续航和充电问题,安徽优旦科技有限公司创始人兼总经理彭勇俊在接受与非网采访时表示,“提高续航里程需要从三个方面改进:第一,提高电池的均衡效率。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。”

 

作为领先的汽车电子方案供应商,瑞萨电子中国汽车解决方案事业部技术市场经理张玮从技术角度分析了 BMS 系统的四项核心技术:第一,电池状态估算技术,可以基于电池的精确建模和参数监测。通过大数据分析和先进的算法,对 SOC、SOH、SOP 等电池状态进行准确的估算,为电池管理提供可靠的基础;第二,均衡管理技术,电动汽车的锂电池组中单体电池的不一致性会极大影响电池组的可用容量,这就需要通过均衡管理技术(通常包括被动均衡和主动均衡两种技术)提到单体电池的一致性,提升电池组的使用寿命;第三,BMS 系统的分布式架构,分布式的 BMS 系统将电池模组和电池采集单元集成在一起,让电池组更加模块化、标准化和智能化,扩展性更强,还可简化装配过程、便于实现电池的梯次利用;第四,将 BMS 技术与整车控制器(VCU)功能的集成,这项技术可以由 VCU 根据整车信息和电池信息采取更合理和高效的控制策略,对于可提升实时性、安全性和可靠性也很有帮助。

 

延长电池寿命做到“有方”

电池寿命一直是电动汽车面临的重要课题,BMS 技术作为电池组背后的“大脑”提供重要的保护措施,以防电池受到损害。ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜表示,“电池组由多组独立的电池单元组成,这些电池单元无缝合作为汽车提供最大的电力输出。如果电池单元之间失去均衡,它们会受到应力影响导致充电过早终止,进而会缩短电池的总体寿命。ADI 公司既提供种类齐全的锂电池和氢燃料电池的电池管理系统 BMS 器件组合,又使用无线网络跨界技术构建无线电池管理系统 BMS 的新颖架构。”

 

恩智浦大中华区汽车模拟器件产品市场高级经理朱玉平则认为,“从 BMS 来讲,需要精确测量监控电池状态,并且通过先进的算法来给电池建模,从而尽最大可能确保电池工作在安全范围,这些措施包括:电池热管理控制,确保各种工况下电池都处于合适的温度范围,通常电池的工作温度在 -25~55℃之间,电池的最优工作温度在 25~35℃之间;电池充放电倍率和放电深度控制,高的放电倍率导致电池严重极化,内阻升高,发热加剧。过度充放电都会导致电极材料的晶体结构遭到破环,平衡好这些参数对延长电池寿命至关重要;传统的按照电池电流、电压、时间,通过类卡尔曼滤波和安时法来计算电池电量和实时内阻的测量方法,存在一定的误差和延后性。需要一种能实时直接检测电池内阻的方法来提高对电池状态监控的精确性,以期更精准的控制电池工况。”

 

 

汽车安全做好安全隔离

电动汽车安全问题一直受到用户关注, 受化学和物理特性所限,目前电动汽车电池的电压、电流、温度等参数需要实时、严密、精确的监控,才能有效避免电池自燃事故发生,由于温度等参数的检测有时间延后性,外加电池模型参数随着使用时间会变化。朱玉平指出,“传统的 BMS 一般通过给系统留出足够的余量来确保电池处于安全工作区。更先进的 BMS 可以通过提升测量精度和算法来扩大电池的安全工作区,从而在保障电池安全的前提下,增加续航里程,加快充电时间,并延长使用寿命。”

 

罗姆半导体技术中心华南 FAE 部车载二组助理经理林其锋则表示,BMS 不仅负责防止电池出现异常电压、异常电流、异常温度等情况,而且,作为最后一个要塞,它在安全隔离电池和电机等应用(负载)方面也发挥着重要作用,在 xEV 等的电池外围,使用机械继电器来关闭电源。而机械继电器存在机械部分的磨损带来的故障问题,因此,未来有望由 SiC 功率元器件带动半导体继电器的普及。采用半导体继电器,不仅可以避免磨损故障,同时还可以在发生过电流时快速关闭电源,从而能够更安全地使用电池。

 

在采访中,彭勇俊向与非网记者特别强调,“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。要从三个方面进行防护:

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。

 

总结

BMS 技术演进与电池技术发展和电动汽车架构变化高度相关,目前 BMS 主要有主从式、一体式、半集中式。目前 BMS 有三大发展趋势:第一,从离散的 ECU 控制向域控制发展,集中控制有利于汽车软件的在线升级和智能驾驶的发展。BMS 的主控部分 BMU,未来可能会交给动力域控制器来接管;第二,模拟采样前端 AFE 的通信方式由有线向无线发展,有利于简化和智能化电池包的生产、组装、维修、回收等环节;第三,简化 BMS 采样板的设计。随着市场对电池包能量密度要求的日益提高,电池包内留给 BMS 的空间越来越小,如何简化设计,采用更少的器件,占用更小的空间,实现同样的功能,可能是行业努力的方向和趋势。

 

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。

 

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