989
據(jù)Marklines統(tǒng)計(jì)，2020年全球電動(dòng)汽車的總銷量為289.24萬輛，同比上升了45%。在電動(dòng)車快速普及的今天，電池壽命和安全問題仍然是困擾消費(fèi)者和生產(chǎn)廠商的一個(gè)難題。如何對(duì)電池進(jìn)行有效的管理，成為了行業(yè)廠商技術(shù)攻堅(jiān)的突破口。
電池管理系統(tǒng)（BMS）作為連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶，通過實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)電池組運(yùn)行過程中的重要信息，與外部設(shè)備交換信息，解決電池系統(tǒng)中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關(guān)鍵問題。在此趨勢(shì)背景下，與非網(wǎng)推出BMS專題，邀請(qǐng)亞德諾半導(dǎo)體（ADI）就相關(guān)問題進(jìn)行了探討。ADI中國汽車電子事業(yè)部資深戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟先生針對(duì)筆者的問題和困惑進(jìn)行了詳細(xì)的解答和分享。
ADI中國汽車電子事業(yè)部資深戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟
?
與非網(wǎng)：網(wǎng)上?？吹诫妱?dòng)汽車起火、爆炸等問題，是否說明BMS還存在很大的優(yōu)化空間？主要是哪些環(huán)節(jié)或部件存在問題？應(yīng)該怎么改進(jìn)和提升？
陳晟：車用動(dòng)力電池安全性是一個(gè)很復(fù)雜的課題，整個(gè)行業(yè)還在全力研究和探索其背后的機(jī)理以及解決辦法。但是電池風(fēng)險(xiǎn)可以通過BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析電池運(yùn)行的溫度、電壓和電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)行提前預(yù)警，從而避免不必要的人員傷亡。
此外，精確監(jiān)控電流和電壓分布至關(guān)重要，因?yàn)殡姵剡^度充電可能會(huì)引起火災(zāi)或爆炸，而充電不足（或完全放電）則會(huì)導(dǎo)致電池失效。電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響 EV 每次充電所能行駛的里程數(shù)。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠最大限度地延長電池的整體使用壽命，從而降低擁有成本。精度越高，就越能更好地了解電池單元的狀態(tài)，從中獲取的容量就越多，電池組的運(yùn)行也就越可靠?？紤]到電池組的投資，BMS 性能的價(jià)值是顯而易見的，且隨著汽車設(shè)計(jì)師考慮保修和電池組的生命周期成本，這一點(diǎn)也就更加明顯。
ADI的BMS方案具有高可靠性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)性多個(gè)方面。同時(shí)，ADI提供的系統(tǒng)級(jí)解決方案，不僅體現(xiàn)在相應(yīng)電壓電流的檢測(cè)功能性上，還包括對(duì)功能安全非常全面的支持。ADI完整的產(chǎn)品家族支持從最高800V到相應(yīng)48V的弱混系統(tǒng)，同時(shí)提供非常高的精度、穩(wěn)定性，以及現(xiàn)在行業(yè)所需要的高功能安全等級(jí)。ADI未來的BMS產(chǎn)品將全面支持電池?zé)崾Э仡A(yù)警的中國國家標(biāo)準(zhǔn)。
與非網(wǎng)：BMS的監(jiān)測(cè)包含SOC、SOH...等多種數(shù)據(jù)，目前哪些數(shù)據(jù)高精度監(jiān)測(cè)還存在困難？ 同時(shí)，隨著市場(chǎng)對(duì)安全和性能要求的日益提高，BMS設(shè)計(jì)中是否需要增加新的狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)來完善電池管理系統(tǒng)？?
陳晟：上述功能的實(shí)現(xiàn)首先需要BMS芯片對(duì)電池電壓，電流，溫度等特性進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的采集和檢測(cè)，進(jìn)而通過BMS系統(tǒng)的軟件與算法得以實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的引入讓BMS系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性得以增強(qiáng)。ISO26262定義的功能安全標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的管理、開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)和報(bào)廢等階段，覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)主要關(guān)注的階段有概念、系統(tǒng)級(jí)開發(fā)、硬件開發(fā)和軟件開發(fā)等階段。在功能安全概念階段要做系統(tǒng)危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出汽車安全完整性等級(jí)ASIL（Automotive Safety Integrity Level），ISO26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A到D四個(gè)安全等級(jí)，其中D級(jí)為最高等級(jí)，相應(yīng)的需求最為苛刻。在得出安全等級(jí)ASIL后，需要設(shè)立安全目標(biāo)（Safety Goal），并提出相應(yīng)的安全需求（Safety Requirement）和安全機(jī)制（Safety Mechanism），并在必要的時(shí)候做功能安全等級(jí)分解。
一般而言，主流車廠認(rèn)為BMS應(yīng)該需要達(dá)到的安全等級(jí)至少是ASIL-C，ADI的BMS產(chǎn)品在開發(fā)時(shí)，對(duì)其功能安全從信號(hào)采集診斷、溫度監(jiān)測(cè)、FTTI等多方面進(jìn)行了充分驗(yàn)證，并且提供了外部器件的故障的診斷覆蓋方法，樹立了高性能高可靠性BMS系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
與非網(wǎng)：由于電芯的不一致性，存在著不同的工作條件、不同的老化率等問題，因此需要均衡管理。目前，電動(dòng)汽車BMS的均衡管理，常采用的是被動(dòng)均衡還是主動(dòng)均衡？均衡管理未來的發(fā)展方向是怎樣的？
陳晟：目前，BMS有主動(dòng)式均衡和被動(dòng)式均衡兩種管理模式。被動(dòng)式均衡一般采用電阻放熱的方式將高容量電池“多出的電量”進(jìn)行釋放，從而達(dá)到均衡的目的。其電路簡單可靠，成本較低，電池效率也較低。主動(dòng)式均衡充電時(shí)將多余電量轉(zhuǎn)移至高容量電芯，放電時(shí)將多余電量轉(zhuǎn)移至低容量電芯，可提高使用效率，但是成本更高，系統(tǒng)與電路復(fù)雜，可靠性低。
ADI 電池管理產(chǎn)品組合為這兩種方法均提供了解決方案。對(duì)于希望系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間最大化和充電效率更高的客戶，主動(dòng)均衡是最佳選擇。被動(dòng)均衡方案因其成本上的優(yōu)勢(shì)，被新能源汽車廣泛的采用。隨著電池一致性的快速提高，被動(dòng)均衡方案的性價(jià)比愈發(fā)突出，其仍將是市場(chǎng)的主流方案。
與非網(wǎng)：隨著BMS的發(fā)展，無線BMS開始出現(xiàn)。目前市場(chǎng)應(yīng)用中，無線BMS實(shí)際應(yīng)用情況如何？
陳晟：BMS的產(chǎn)品架構(gòu)在往兩個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)是BMS有線通信架構(gòu)，即BMS每個(gè)電芯模組上有一個(gè)采樣板，采樣板之間是通過隔離的雙絞線連接，組成一個(gè)環(huán)形的有線拓?fù)?。另一個(gè)是未來的發(fā)展方向，就是無線BMS，每個(gè)模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€。
不管采用哪種通信技術(shù)，BMS系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)傳輸的實(shí)時(shí)性可靠性的要求是一致的。無線通信有更多機(jī)制來確保實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要求，但是由于電池包設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，有大量測(cè)試和驗(yàn)證工作需要在量產(chǎn)前完成。
同時(shí)，無線BMS使得電池從生產(chǎn)后到回收前的全生命周期健康管理得以實(shí)現(xiàn)。在電池的使用過程中，基于ADI的無線BMS方案，電池就有了可供追溯的身份證，會(huì)知道任何時(shí)候它的可用電量衰減到什么樣的程度，就可以評(píng)估它的殘值，未來可以進(jìn)行更好的梯次利用，比如變成一個(gè)大樓的備用電源或者數(shù)據(jù)中心的備用電源，這也是一個(gè)未來發(fā)展的方向。
與非網(wǎng)：5G、AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的興起和發(fā)展，給BMS帶來了哪些改變和助力？從市場(chǎng)需求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)來看，BMS還呈現(xiàn)出哪些創(chuàng)新發(fā)展的趨勢(shì)？
陳晟：現(xiàn)階段，ADI提供的無線電池管理系統(tǒng)可以作為一個(gè)平臺(tái)去收集電池?cái)?shù)據(jù)，我們能夠用這些數(shù)據(jù)來通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能預(yù)測(cè)電池在道路上的性能和表現(xiàn)，同時(shí)也希望能夠獲取這些數(shù)據(jù)來推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展，來提供更多的智能服務(wù)。
此外，基于云平臺(tái)的電芯級(jí)別全程無線監(jiān)控，借助無線電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不僅在汽車制造上實(shí)現(xiàn)降低成本，更加靈活的電池布局讓電動(dòng)車工業(yè)設(shè)計(jì)更加靈活，同時(shí)能夠在電池生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸整個(gè)流程中全程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和基于云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)分析。這些信息可以實(shí)時(shí)傳遞到云端，汽車廠商可以通過這些數(shù)據(jù)延長電池以及整個(gè)電動(dòng)汽車的生命周期；產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴可以利用這些數(shù)據(jù)評(píng)估電池的健康狀態(tài)以及殘值，促進(jìn)電動(dòng)汽車二手車市場(chǎng)的健康可持續(xù)發(fā)展，讓消費(fèi)者愿意去購買電動(dòng)汽車；甚至在電池不能繼續(xù)服役于電動(dòng)汽車時(shí)，仍然能根據(jù)實(shí)際存在的準(zhǔn)確容量評(píng)估有效的服役于儲(chǔ)能等梯次利用場(chǎng)景中。
與非網(wǎng)：針對(duì)電動(dòng)汽車BMS應(yīng)用，ADI推出了哪些產(chǎn)品和解決方案？獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是什么？
陳晟：ADI BMS產(chǎn)品最大的強(qiáng)項(xiàng)就在于鋰電池的電池管理精度。無論面對(duì)什么環(huán)境，這些極高精度的產(chǎn)品都能把精度控制在非常小的波動(dòng)范圍內(nèi)，且可以保持十年不變。這就能讓車廠以及電池供應(yīng)商能夠大膽使用它的電池容量，而不會(huì)因?yàn)榫炔粔蚨拗菩阅?，從而達(dá)到同樣電池、同樣容量條件下提高整車?yán)m(xù)航里程的目的。
此外，作為全球最早涉足無線BMS領(lǐng)域的企業(yè)，ADI的無線BMS將射頻通信和系統(tǒng)功能等硬件和軟件整合在單個(gè)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品內(nèi)，配合采用ADI經(jīng)過驗(yàn)證的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先BMS電池電芯測(cè)量技術(shù)，支持ASIL-D安全性和模塊級(jí)安全性。無線BMS大大減少了電池包內(nèi)的線束，可最大化電池包的能量密度，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的車輛續(xù)航里程, 并且可以幫助車廠實(shí)現(xiàn)在不同車型上電池包的靈活配置，從而達(dá)到電池系統(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)。目前通用汽車已宣布采用ADI無線BMS技術(shù)在其下一代電動(dòng)車平臺(tái)上。
欲查看更多“電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)”相關(guān)內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊查看?《與非動(dòng)力系統(tǒng)主題月》
