据Marklines统计,2020年全球电动汽车的总销量为289.24万辆,同比上升了45%。在电动车快速普及的今天,电池寿命和安全问题仍然是困扰消费者和生产厂商的一个难题。如何对电池进行有效的管理,成为了行业厂商技术攻坚的突破口。

 

电池管理系统(BMS)作为连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,通过实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息,与外部设备交换信息,解决电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。在此趋势背景下,与非网推出BMS专题,邀请亚德诺半导体(ADI)就相关问题进行了探讨。ADI中国汽车电子事业部资深战略与业务发展经理陈晟先生针对笔者的问题和困惑进行了详细的解答和分享。

 

ADI中国汽车电子事业部资深战略与业务发展经理陈晟

 

与非网:网上常看到电动汽车起火、爆炸等问题,是否说明BMS还存在很大的优化空间?主要是哪些环节或部件存在问题?应该怎么改进和提升?

 

陈晟:车用动力电池安全性是一个很复杂的课题,整个行业还在全力研究和探索其背后的机理以及解决办法。但是电池风险可以通过BMS实时监测并分析电池运行的温度、电压和电流等关键数据的变化,进行提前预警,从而避免不必要的人员伤亡。

 

此外,精确监控电流和电压分布至关重要,因为电池过度充电可能会引起火灾或爆炸,而充电不足(或完全放电)则会导致电池失效。电池管理系统的质量直接影响 EV 每次充电所能行驶的里程数。优质的电池管理系统能够最大限度地延长电池的整体使用寿命,从而降低拥有成本。精度越高,就越能更好地了解电池单元的状态,从中获取的容量就越多,电池组的运行也就越可靠。考虑到电池组的投资,BMS 性能的价值是显而易见的,且随着汽车设计师考虑保修和电池组的生命周期成本,这一点也就更加明显。

 

ADI的BMS方案具有高可靠性、稳定性和系统性多个方面。同时,ADI提供的系统级解决方案,不仅体现在相应电压电流的检测功能性上,还包括对功能安全非常全面的支持。ADI完整的产品家族支持从最高800V到相应48V的弱混系统,同时提供非常高的精度、稳定性,以及现在行业所需要的高功能安全等级。ADI未来的BMS产品将全面支持电池热失控预警的中国国家标准。

 

与非网:BMS的监测包含SOC、SOH...等多种数据,目前哪些数据高精度监测还存在困难? 同时,随着市场对安全和性能要求的日益提高,BMS设计中是否需要增加新的状态检测数据来完善电池管理系统? 

 

陈晟:上述功能的实现首先需要BMS芯片对电池电压,电流,温度等特性进行实时高精度的采集和检测,进而通过BMS系统的软件与算法得以实现。

 

同时ISO26262标准的引入让BMS系统的稳定性可靠性得以增强。ISO26262定义的功能安全标准涵盖了产品的管理、开发、生产、经营、服务和报废等阶段,覆盖产品的整个生命周期,产品开发时主要关注的阶段有概念、系统级开发、硬件开发和软件开发等阶段。在功能安全概念阶段要做系统危害分析和风险评估,得出汽车安全完整性等级ASIL(Automotive Safety Integrity Level),ISO26262标准规定了A到D四个安全等级,其中D级为最高等级,相应的需求最为苛刻。在得出安全等级ASIL后,需要设立安全目标(Safety Goal),并提出相应的安全需求(Safety Requirement)和安全机制(Safety Mechanism),并在必要的时候做功能安全等级分解。

 

一般而言,主流车厂认为BMS应该需要达到的安全等级至少是ASIL-C,ADI的BMS产品在开发时,对其功能安全从信号采集诊断、温度监测、FTTI等多方面进行了充分验证,并且提供了外部器件的故障的诊断覆盖方法,树立了高性能高可靠性BMS系统的行业标准。

 

与非网:由于电芯的不一致性,存在着不同的工作条件、不同的老化率等问题,因此需要均衡管理。目前,电动汽车BMS的均衡管理,常采用的是被动均衡还是主动均衡?均衡管理未来的发展方向是怎样的?

 

陈晟:目前,BMS有主动式均衡和被动式均衡两种管理模式。被动式均衡一般采用电阻放热的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放,从而达到均衡的目的。其电路简单可靠,成本较低,电池效率也较低。主动式均衡充电时将多余电量转移至高容量电芯,放电时将多余电量转移至低容量电芯,可提高使用效率,但是成本更高,系统与电路复杂,可靠性低。

 

ADI 电池管理产品组合为这两种方法均提供了解决方案。对于希望系统运行时间最大化和充电效率更高的客户,主动均衡是最佳选择。被动均衡方案因其成本上的优势,被新能源汽车广泛的采用。随着电池一致性的快速提高,被动均衡方案的性价比愈发突出,其仍将是市场的主流方案。

 

与非网:随着BMS的发展,无线BMS开始出现。目前市场应用中,无线BMS实际应用情况如何?

 

陈晟:BMS的产品架构在往两个方向发展,一个是BMS有线通信架构,即BMS每个电芯模组上有一个采样板,采样板之间是通过隔离的双绞线连接,组成一个环形的有线拓扑。另一个是未来的发展方向,就是无线BMS,每个模块之间不再有传输的通信线。

 

不管采用哪种通信技术,BMS系统对于信号传输的实时性可靠性的要求是一致的。无线通信有更多机制来确保实现这两个要求,但是由于电池包设计的复杂性,有大量测试和验证工作需要在量产前完成。

 

同时,无线BMS使得电池从生产后到回收前的全生命周期健康管理得以实现。在电池的使用过程中,基于ADI的无线BMS方案,电池就有了可供追溯的身份证,会知道任何时候它的可用电量衰减到什么样的程度,就可以评估它的残值,未来可以进行更好的梯次利用,比如变成一个大楼的备用电源或者数据中心的备用电源,这也是一个未来发展的方向。

 

与非网:5G、AI、云计算、大数据等技术的兴起和发展,给BMS带来了哪些改变和助力?从市场需求和技术实现来看,BMS还呈现出哪些创新发展的趋势?

 

陈晟:现阶段,ADI提供的无线电池管理系统可以作为一个平台去收集电池数据,我们能够用这些数据来通过机器学习和人工智能预测电池在道路上的性能和表现,同时也希望能够获取这些数据来推动机器学习发展,来提供更多的智能服务。

 

此外,基于云平台的电芯级别全程无线监控,借助无线电池管理系统的优势不仅在汽车制造上实现降低成本,更加灵活的电池布局让电动车工业设计更加灵活,同时能够在电池生产、仓储、运输整个流程中全程实现数据实时采集和基于云平台的监测分析。这些信息可以实时传递到云端,汽车厂商可以通过这些数据延长电池以及整个电动汽车的生命周期;产业链合作伙伴可以利用这些数据评估电池的健康状态以及残值,促进电动汽车二手车市场的健康可持续发展,让消费者愿意去购买电动汽车;甚至在电池不能继续服役于电动汽车时,仍然能根据实际存在的准确容量评估有效的服役于储能等梯次利用场景中。

 

与非网:针对电动汽车BMS应用,ADI推出了哪些产品和解决方案?独特优势是什么?

 

陈晟:ADI BMS产品最大的强项就在于锂电池的电池管理精度。无论面对什么环境,这些极高精度的产品都能把精度控制在非常小的波动范围内,且可以保持十年不变。这就能让车厂以及电池供应商能够大胆使用它的电池容量,而不会因为精度不够而限制性能,从而达到同样电池、同样容量条件下提高整车续航里程的目的。

 

此外,作为全球最早涉足无线BMS领域的企业,ADI的无线BMS将射频通信和系统功能等硬件和软件整合在单个系统级产品内,配合采用ADI经过验证的业内领先BMS电池电芯测量技术,支持ASIL-D安全性和模块级安全性。无线BMS大大减少了电池包内的线束,可最大化电池包的能量密度,从而实现优异的车辆续航里程, 并且可以帮助车厂实现在不同车型上电池包的灵活配置,从而达到电池系统的平台化设计。目前通用汽车已宣布采用ADI无线BMS技术在其下一代电动车平台上。

 

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