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一文解构电动汽车BMS

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5月中国动力电池行业简析

据Marklines统计,2020年全球的总销量为289.24万辆,同比增长了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。如何对电池进行科学有效的管理,成为了众多新能源电池厂商技术攻坚的突破口。

行业背景和趋势下,BMS(电池管理系统)成为了行业重点发展的方向,作为连接车载电池和电动车的重要纽带,BMS能够实时估测电池的荷电状态,检测电池使用状态,并对电池该如何发挥作用进行直接管控。除此之外,BMS还要跟整车系统进行信息交换,解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。有数据显示,2020年全球BMS规模超过60亿美元,预计2025年将达到111.7亿美元,2017-2025年复合增长率达到11.6%。

BMS是一个多元化市场,从产业链来看,目前BMS市场参与者主要分为三类:(1)动力电池企业主导,大多是“BMS+PACK”模式,掌握动力电池电芯到电池包的整套核心技术,具有较强的竞争实力。代表企业有宁德时代、比亚迪、松下等;(2)整车厂主导,整车企业对电芯的参与较少,一般通过兼并购、战略合作等方面进入。特斯拉、北汽、吉利、大众等车企均有专门的研发团队进行BMS研发,除了核心技术的掌握外,在成本和效率方面较其他企业有较强的竞争力;(3)第三方BMS企业,相关软硬件都由企业自主进行研发设计,具备技术积累优势。

对此,英飞凌科技大中华区汽车电子事业部动力系统与业务单元市场经理张昌明表示,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。

BMS芯片解决方案的供应商主要是德州仪器、亚德诺半导体、瑞萨电子、英飞凌、恩智浦、意法半导体和安森美半导体等传统半导体大厂。这些企业在汽车产业链中耕耘多年,其产品一直都在跟随汽车行业的发展推出更创新的产品。

在筹备与非网6月专题过程中,笔者向以上几家芯片厂商发出邀请,深入交流了电动汽车BMS的发展现状,其中存在的困境与挑战,以及未来的发展走向。

BMS现状、困局与未来

BMS之所以如此重要,是因为电池本身在成本和性能上已成为整车厂致胜的关键点,而电池的续航里程、快充、成本和安全检测等均与BMS的优化息息相关。

亚德诺半导体(ADI)中国汽车电子事业部资深战略与业务发展经理陈晟表示,按照对电池管理的需求,BMS系统具备的功能包括SOC/SOH估算、故障诊断、均衡控制、热管理和充电管理等,这些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。

电池物理参数监测&数估算

根据V/I/T测量值,估算内阻容量然后估算出SOC和SOH,最终反应出剩余可行驶里程数和电池包老化程度。

然而,BMS的剩余容量估算一直是业界难点。首先这是一个根据电池组电压,电流,放电倍率,温度等因素经过算法计算的估算值,要求系统先要采集的足够准,足够快才能保证最后的结果准确。这又对主控芯片的处理速度,AFE的精度,采集电流的方案选择,温度传感器的精度提出新的要求,还有从系统整体考量采样频率的大小诸多因素有关。选用高处理速度高精度的芯片势必会增加成本,采样频率越快系统负荷也越大,所以在目前技术条件下,业界都是参考具体项目来权衡各方面因素。

张昌明也强调了电压、电流的检测对检测时序的重要性,“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。”

儒卓力战略营销和传播总监Andreas Mangler表示,除了SOC/SOH参数监控外,电池单元的膨胀也是BMS中要考虑的重要方面。这就是原有BMS与当前电池技术水平的不同所在,所有这些参数都可以通过交流和直流阻抗测量以及合适的电池软件建模来确定。

恩智浦半导体应用方案设计和新产品验证经理乔旭彤指出,随着市场越来越成熟,BMS设计中需要一些新增的参数检测项来完善电池管理系统,比如单体的温升速率、更精确的包内压力检测等,来满足对安全和性能日益增多的要求。

SOC:当前电池荷电量占当前总体可用容量的百分比,表征当前剩余电量,反应在车辆仪表盘上为剩余里程数。

SOH:各家定义略有不同,主流是按照当前电池包总容量占新电池初始容量的百分比,表征电池包老化程度的一个重要参数。国标要求的动力电池退役指标,就是按照容量特征来定义的。

BMS除了强化被动监控能力以外,加强均衡和热管理等主动作用于动力电池的能力,是除了加强电芯、模组等自身设计安全性以外,从本质上提高系统安全性的根本所在。

均衡管理

在当前技术现状下,要求电池包内所有电芯完全一致是几乎不可能的事情,这就意味着各电芯间会存在着不一致的工作条件(内阻/发热量/SOC区间)及不同的老化率,所以需要均衡管理。BMS有被动均衡管理和主动均衡管理两种方式。

张昌明向笔者表示,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,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。

陈晟指出,被动均衡方案因其成本上的优势,被新能源汽车广泛采用。但它并未改善电池供电系统的运行时间,它提供了一种成本相当低的电池均衡方法,但由于放电电阻的存在,该过程中会浪费能量。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。在充电和放电期间,主动电池均衡不会浪费能量,而是将能量重新分配给电池组中的其他电池单元。放电时,较强的电池单元会给较弱的电池单元补充能量,从而延长电池单元达到其完全耗尽状态的时间。但是随着未来电池一致性的提高,被动均衡方案的性价比愈发突出,仍将是市场的主流方案。

对于均衡管理未来的发展走向,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也认为,随着电池技术的进步,电池性能和电池环境一致性越来越好,越来越多的BMS支持休眠均衡,以提高均衡效率,被动均衡将继续是未来发展趋势。

被动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。

热管理

热管理功能,使得BMS能够对电池包施加主动作用。电池温度过高时,热管理系统开动冷却功能,电池温度过低无法启动行车时,热管理系统开动加热功能。对于主控模块,热管理只是一套算法和几个接触器控制端口。热管理技术含量主要集中在冷却加热设备以及与之匹配的冷却出现冷凝水、风冷解决密封等级等具体问题上。

具备热管理功能对整个电池系统意义重大,是设计者能够阻止热失控发生的重要手段,是从设计上保障动力电池安全和延长使用寿命的重要方式。乔旭彤指出,但是一旦热管理失效,在电池发生热失控和热扩散时,BMS需要能够及时介入并上报危险警报,为乘客的逃生提供充足的时间。“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。” 张昌明补充道。

BMS未来走势:无线BMS & 云端BMS

随着BMS产业的不断发展,以及5G、AI、云计算等技术的兴起和成熟,BMS未来将呈现出怎样的创新趋势?

无线BMS

随着人们对新能源汽车续航能力以及电池安全性的重视程度不断提高,无线BMS成为了技术研发和应用的重要方向,取代了电池组和电池管理系统之间的传统有线连接,逐步从早期的研发阶段开始步入产业化。

瑞萨电子Bruce Zhang说道,无线BMS技术采用无线通讯方案与电池监测器协同工作,无线通讯的功耗低,可拓展性强,减少线缆和连接器,简化了PACK结构,主从板之前也没有高压风险,可以大幅度提高电池管理的可靠性,精度,降低整体成本。

陈晟介绍了BMS产品架构的两个发展方向,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,同时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。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。

德州仪器(TI)中国区汽车业务部技术支持团队经理郭津认为,为电池提供通信线束连接以及在维修时对各电池进行隔离是非常困难的,并且需要花费更多成本。车辆发生碰撞时可能会引起线束断裂,并进而导致需要更换整个电池包。电池模组直接将电芯采样信息传送到BMS微控制器 (MCU) 的做法可以解决上述有线通信方式带来的挑战,然而,采用无线解决方案的前提是其性能需要与有线解决方案相媲美,其中一项关键指标是无线BMS网络可用性。

当然,无线BMS成为趋势背后,业界也不乏一些质疑的声音。乔旭彤表示,无线BMS的应用还处于预研阶段,目前落地还存在很多困难,主要原因包括EMC尚无标准框定、功能安全和成本很难平衡等。

张昌明从价值链角度来看,无线BMS还处理初期阶段,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。

云端BMS

随着云技术的发展成熟,电池数据(剩余电量、放电速度、环境和工况等各种数据)可以实时传输到云端,可以在云端进行大数据分析和处理,从而更好地估算电池的剩余电量和健康状态。

基于此需求,张昌明认为BMS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,从而发展出云端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。

陈晟认为,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。

此外,付志凯认为,越来越多的客户还需要FOTA(无线固件更新)功能,实时更新软件,即使汽车售出后也可以通过FOTA更新功能。一旦发现软件漏洞,FOTA可以立即更新软件,可以消除或降低汽车厂商的召回成本。因此,BMS需要支持FOTA功能和网络加密。

功能安全领域,Bruce Zhang认为,未来也将是BMS发展的重点,一款新的BMS在投放市场前需要经过严格的环境可靠性测试,其周期可能长达数年,在一些简单的实时监测功能上需要添加产品功能的可靠性、稳定性、精准度、使用寿命等更加严格的测试标准。

随着电动汽车的不断发展,BMS技术也不断成熟,未来的BMS技术也将更加智能化和数据化,而那些进行更多的BMS试验开发、制造以及梯次利用等环节实验,并且有详细的电池数据的BMS企业将更具竞争力。

国产BMS产业进展

对于BMS行业发展脉络,Bruce Zhang表示,作为近年来兴起的技术,BMS的技术门槛是相当高的。没有长期研发的积累和大量数据的沉淀,难以开发出优质的产品,对于大多数芯片厂商来说,BMS的发展都需要经过大量实践。因此,BMS研发需要大量的时间与资金支持,导致了目前BMS研发技术参差不齐。BMS行业需要规范自身研发标准,提升研发效益。芯片厂商们也要增强核心零件自我生产能力,与其他企业合作研发,争取能够实现全新的BMS行业联盟。

乔旭彤表示,中国是世界最大的电动车市场,也提供了最大的应用环境,能够更好地促进BMS的技术迭代与新的需求的提出,相对来说,国内的BMS市场更加成熟。就目前来看,中国在应用多样性、市场容量方面依然是领先的。

张昌明则指出,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。随着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,主要推动力应该会来自电池整个产业链的运作模式。

然而,在BMS核心芯片方面,国内依然依赖进口。BMS方案中主要的芯片有AFE、MCU、ADC、数字隔离器等。目前市面上可以接触到的AFE内部结构基本都大同小异,最主要的不同点在于采样通道数、内部ADC的数量、类型和架构。AFE产品的供应商主要是国外的企业,国内目前没看到有哪家厂商提供AFE芯片。

MCU方面,目前国内有一些MCU厂商在积极布局车规级产品,比如兆易创新、芯旺微、比亚迪、杰发科等;ADC方面,目前主要的供应商还是TI、ADI、瑞萨电子等外企,国内可以提供车规级ADC的企业目前还几乎没有;在数字隔离方面,主要用在高低压之间的数字通信,比如在BMS主控板上的高压采样与MCU之间的SPI通信,以及采样板AFE与MCU的SPI通信,依然以国外供应商为主。

Bruce Zhang表示,中国本土品牌和国际大厂的BMS核心芯片差距还比较大。目前本土品牌还基本上集中在工业,消费类领域,如对可靠性,功能安全要求比较高汽车电子领域,本土品牌量产的基本上很少,车厂试错的意愿还不是很强,还处于攻克关键技术壁垒阶段。

写在最后

上述不难看到,BMS对于电动汽车的重要性和必要性。电池风险可以通过BMS实时监测并分析电池运行的关键数据的变化,进行提前预警,从而避免不必要的人员伤亡。同时,还能最大限度地延长电池的整体使用寿命,降低拥有成本。

但车用动力电池安全性是一个很复杂的课题,仍存在很多待解决的难题和挑战,整个行业还在全力研究和探索其背后的机理及解决办法。BMS作为其中的重要部分,深入其中,在机遇和趋势下摸索向前。

一把钢刀悬在了电动汽车头上|C次元

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