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,邀请英飞凌公司就相关问题进行了探讨。英飞凌科技大中华区汽车电子事业部动力系统与新能源业务单元市场经理张昌明进行了详细的分享和交流。

 

英飞凌科技大中华区汽车电子事业部动力系统与新能源业务单元市场经理张昌明

 

与非网:电动汽车起火、爆炸等问题屡见不鲜,这是否意味着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?

 

张昌明:BMS主要功能是监测电池包内的各项参数,包括电芯电压、电流、温度、系统绝缘、压力、异常气体等。而电动汽车发生起火等事故正是电池状态出现了异常引起的。过充、过放都会对锂离子电池包造成伤害,甚至更严重的事故。除了电压、电流的常规监测外,如果可以提前预知环境异常变化,那就可以避免事故的发生。从这个角度讲,BMS有很大的优化空间,可以更加智能化。

 

当电芯出现异常时,经常会表现发热、欠压、产生异常气体等状态。2020年工信部组织制定的GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》作为强制性国家标准发布。标准增加了电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。智能化的BMS可以通过气压传感器温度传感器、异常气体传感器来判断包内环境,而如何通过包内环境参数检测结合电芯参数来准确计算电池包状态将会引导BMS技术创新方向。最终的计算结果是否准确取决于检测到的各种数据是否准确,所以这些传感器与模拟前端芯片的质量与可靠性将是最重要的保障。

 

与非网:从产业链角度来看,芯片厂商的产品/方案是供给电池厂、主机厂还是Tier1厂商?在整车厂和电芯厂向BMS产业链延伸规划的趋势下,产业链条以及芯片厂在其中的定位是否在发生变化?

 

张昌明:从2018到2020的BMS市场份额分布来看,BMS产业链上的decision maker已经发生了变化,从曾经BMS方案供应商决定发展到今天的电池厂与整车厂自研或定制开发。2021年的芯片供应环境也影响了主机厂与电池厂加强对芯片决策的参与度,能够提供整体解决方案的芯片厂商将会获得更多的机会。

 

与非网:BMS的监测包含SOC、SOH...等多种数据,目前哪些指标能做到高精度监测?哪些数据监测还存在困难? 

 

张昌明:电压、电流、温度、压力这些参数都可以做高精度检测。电压、电流的检测对检测时序有很重要的要求,我们需要尽量保证这些参数都是在同一时刻所读取到的,否则时间间隔过宽就失去了意义。温度检测的难点在于温度网络的建立,现有的温度检测都是通过多点检测来创建温度网络,但这个网络实际是预估出来的,并不能完全反映实际的温度状况。要更准确的感知电芯温度就需要更多的温度传感器,这就提高了BMS系统方案的设计难度。

 

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?

 

张昌明:目前的BMS是能过电压刻度来预估电池电量百分比,更智能的BMS应该像燃油车的油量检测一样,能预知还有多少可用的能量。未来的BMS在现有的功能上还应该增加能量预估功能。清晰的知道充进多少kWH的电量也清楚运行过程中放出多少电量,通过结合VCU了解驾驶习惯进行剩余行程里程预估,最终解决剩余电量焦虑。基于这个需求,BMS就要升级形成域或区级的控制系统,需要更强的MCU、更快速的通讯速度。结合未来换电方案的推广,能源供应体系需要集中式的管理储能资产,从而就发展出了云端BMS的需求。电池包内的BMS系统可能受制于能耗,不能无限提升算力。因此,可以将复杂的计算工作放置于云端处理。电池包运营商通过云端来管理、监控所有的电池包运行状态并与车辆互动。5G、AI、云计算、大数据技术都将应用于BMS系统管理。

 

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?

 

张昌明:目前量产的BMS方案几乎都是采用被动均衡式管理。被动均衡功能通过模拟前端芯片内置的均衡电路实现,英飞凌的模拟前端芯片TLE9012DQU可以支持任意两通道之间实现150mA的均衡电流。相较于主动均衡,被动均衡通过电阻耗散能量实现,功率需求小,系统设计简单,具有成本低,性能可靠等优点。主动均衡需要更多的器件来实现任意电芯间的能量转移,功率需求大,系统需要矩阵式设计。由于零件数量增多,由此引起的系统可靠性也是不容忽视的问题。

 

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?

 

张昌明:在新能源汽车应用里,最近凯迪拉克发布了一款无线BMS的量产车型,全球首款量产版BMS。英飞凌的无线BMS方案设计已经完成,目前处于验证阶段。同时,我们日本团队完成了模拟电池包内环境的无线通讯测试。从价值链角度看,无线BMS还处于初期阶段,尚未形成明显的系统成本优势或者解决有线BMS的痛点问题。目前在研项目基本上都是预研项目,正在探索无线BMS的设计难点以及包内无线传输的通信能力。通过我们的调查研究,无线BMS的推广最先应该会电池梯次利用、电池模组仓储管理、储能系统无线BMS三个维度展开。

 

与非网:从BMS市场成熟度和产业模式的角度来看,国内外市场特点是什么?存在哪些区别?如何看待中国BMS市场的发展?

 

张昌明:国内BMS市场经过这两年的发展,已经向电池厂或整车厂自主开发或与BMS解决方案供应商合作开发的形式发展了,从这一点看,国内外市场产业模式已经统一,用户将对BMS方案提出更多的要求以及方案决定权。中国新能源汽车产业规划的推动,中国的BMS市场发展可能还会超前国外市场。这一点主要的推动力应该会来自电池整个产业链的运作模式。当车用电池的电量下降到一定比例后,需要进行回收利用。如何来回收利用将对BMS以及电池模组、电池包的设计提出要求。

 

 

分享最后,张昌明介绍了英飞凌在BMS上的布局,英飞凌提供BMS完整解决方案,包括12V、48V、400V/800V BMS方案。产品涵盖模拟前端采集芯片,主控芯片AURIXTM系列MCU,电源管理芯片,CAN收发器,铁电存储器F-RAM, 包内环境检测芯片,高精度电流检测芯片以及其他通用芯片。英飞凌BMS完整解决方案支持ASIL-D功能安全等级要求,模拟前端芯片TLE9012DQU和基于Tricore架构的MCU以及电源管理芯片TLF35584都符合芯片级ASIL-D设计要求。模拟前端芯片TLE9012DQU采用12通道的独立ADC,内置70Hz低通滤波器可以有效减少系统元器件使用,12通道ADC可以同时采样所有电芯电压确保采样一致性;通过优化基准电压设计确保生命周期的高精度电压采样。

 

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