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在 2019 年，我國的新能源汽車銷量達(dá)到了 120 萬輛，隨著新能源汽車銷量不斷增加，用戶對(duì)電動(dòng)汽車的接受度越來越高。為了保障電動(dòng)汽車的電池高效、可靠、安全地運(yùn)行，需要通過電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、SOC 估算、短路保護(hù)等。BMS 在業(yè)內(nèi)被稱為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”，與動(dòng)力電池、整車控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了電動(dòng)汽車的三大核心技術(shù)。
目前，BMS 對(duì)延長電池續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間方面會(huì)有哪些改善？BMS 在電動(dòng)汽車安全方面發(fā)揮哪些重要作用？BMS 還需要進(jìn)行哪些整合和優(yōu)化？
在與非網(wǎng)策劃的《BMS 的新使命》專題中，我們邀請(qǐng)了意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)經(jīng)理姜炯迪先生和市場(chǎng)經(jīng)理付志凱先生一起參與討論。
意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)經(jīng)理 姜炯迪
作為新能源汽車的核心能量源，動(dòng)力電池的續(xù)航里程和充電時(shí)間一直被用戶關(guān)注，續(xù)航里程短、充電時(shí)間長一直是電動(dòng)汽車的痛點(diǎn)，BMS 是否可以對(duì)這一問題進(jìn)行改善？姜炯迪表示，續(xù)航里程主要和電池的容量、能量回收、電機(jī)效率以及車重等因素有關(guān)。充電時(shí)間主要和電池特性、充電樁的電流能力等因素有關(guān)。在保證電池安全的前提下，BMS 可以最大限度的使用電池能量以及提高能量回收效率，并最大限度的提高充電電流來提高充電速度。在充放電過程中，BMS 通過實(shí)時(shí)的對(duì)電池外特性參數(shù)（如電壓，電流，溫度等）進(jìn)行監(jiān)控，再采用適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%BD%AF%E4%BB%B6/">軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的內(nèi)部狀態(tài)（SoC,SoH）的檢測(cè)和控制，然后通過熱管理，電池均衡管理以及充放電管理使電池處于最佳的工作狀態(tài)，不會(huì)達(dá)到過放或者過充,同時(shí)最大限度提高充電電流?！?/p>
意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心市場(chǎng)經(jīng)理 付志凱
打造完整系統(tǒng)保證電動(dòng)汽車安全
電動(dòng)汽車的安全是要保證全生命周期的安全,包括高壓零部件的設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)與運(yùn)輸和裝配，以及車輛存放，充電，駕駛，事故，檢修維修和保養(yǎng)過程中以及電池回收處理的安全性。當(dāng)然電池包作為電動(dòng)車的能量來源，安全性尤為重要，主要包括高壓安全(比如漏電也就是絕緣失效)和熱失控（引起燃燒爆炸）2 種模式。在整車系統(tǒng)中，直流超過 60V 就要考慮高壓安全，電動(dòng)車的峰值功率要到達(dá) 100kW 以上，電池系統(tǒng)的母線電壓目前已達(dá)到 400V 左右，將來也可能會(huì)升級(jí)到 800V 左右，所以高壓安全極為重要；同時(shí)，鋰電池只有幾伏的電壓，目前一套電池系統(tǒng)需要 100 個(gè)左右的電池串聯(lián)，而且為了增大電池容量，還需要并聯(lián)若干電池，這意味著 BMS 需要管理成百上千的電池，對(duì)電池管理的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)。
BMS 要根據(jù)實(shí)時(shí)的電池的外特性參數(shù)（如電壓，電流，溫度）以及歷史記錄估算出電池的狀態(tài)，診斷電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的故障處理機(jī)制，比如報(bào)警，降額功能使用，或切斷電池系統(tǒng)等等。姜炯迪對(duì)與非網(wǎng)記者解釋，“ST 有 30 多年的汽車電子開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì) BMS，ST 可以能夠提供完整的系統(tǒng)解決方案，該方案主要由高可靠性系統(tǒng)的基礎(chǔ)電源芯片 L9396、高安全特性的 PowerPC 架構(gòu)的 MCU(SPC57x/58x)、以及緊急斷開電池系統(tǒng)的 L9678 組成，支持 AUTOSAR，功能安全 ASILD，HSM 以及 FOTA?！?/p>
他還表示，“對(duì)于模擬前端芯片，可以通過單一芯片 L9963 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ASIL D 的要求；具有全溫度范圍內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的采樣精度；低成本、高抗擾的高速隔離的雙向菊花鏈；每個(gè)通道獨(dú)立的 ADC 能夠?qū)崿F(xiàn)真正的電池電壓 0us 同步采樣以及冗余的電壓采樣；支持模組之間跨接 bus-bar 負(fù)壓的應(yīng)用；支持內(nèi)部均衡同時(shí)開啟以提高均衡效率；最大化的簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)成本?！?/p>
應(yīng)對(duì)安全和成本挑戰(zhàn)，加大高附加值軟件投入
安全性和成本是 BMS 面臨兩大挑戰(zhàn)，前面已經(jīng)對(duì)安全性問題做了分析。在成本方面，ST 會(huì)持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大化的集成外圍元器件，支持客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本。
付志凱分析，“與此同時(shí)，隨著汽車迭代速度越來越快以及功能越來越多，這就要求 BMS 的開發(fā)周期越來越短以及系統(tǒng)越來越復(fù)雜，同時(shí)還要滿足 AUTOSAR，功能安全，Cyber security（網(wǎng)絡(luò)安全）以及在線實(shí)時(shí)刷新 FOTA 等等，這樣客戶對(duì)芯片廠商的支持力度和響應(yīng)速度都有很高的要求。ST 提供完整的系統(tǒng)解決方案包括硬件設(shè)計(jì)以及 BSW 軟件，相當(dāng)于給客戶提供一個(gè) base 設(shè)計(jì)，客戶可以根據(jù)自己的具體需求在該方案上基礎(chǔ)上做些調(diào)整，大大降低客戶的開發(fā)周期，而且客戶可以把精力放在對(duì)客戶附加值更高的應(yīng)用層軟件上來?！?/p>
目前 BMS 主要有主從式、一體式、半集中式。未來在整車架構(gòu)上面，會(huì)簡(jiǎn)化部分 BMS 的功能到其他模塊，比如高壓測(cè)量、高壓繼電器的控制和診斷以及熱管理，使 BMS 的功能更加集中在單體電芯的測(cè)量功能（電壓、電流、溫度等）和保護(hù)上面。
合理地電池包熱設(shè)計(jì)提高電池壽命
除了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是目前的一大痛點(diǎn)，電池壽命也是電動(dòng)汽車廠商面臨的重要課題，廠商在通過各種方式延長電池的壽命。從結(jié)構(gòu)上來看，單體電芯是由正極材料，負(fù)極材料，電解液，隔膜，電氣元件和結(jié)構(gòu)件組成，其中正負(fù)極材料和電解液對(duì)電池的性能尤為重要。電池在使用過程中反復(fù)充電，由于電池內(nèi)部正負(fù)極材料消耗和副反應(yīng)不斷發(fā)生使得電池性能衰退，造成電池壽命下降。
在付志凱看來，電池內(nèi)部是電化學(xué)反應(yīng)，電池在高溫環(huán)境中副反應(yīng)的發(fā)生速度和概率大大提高，不僅影響壽命，甚至帶來安全問題；合理的電池包的熱設(shè)計(jì)，控制電池一直工作在適當(dāng)?shù)臏囟龋梢蕴岣唠姵厥褂脡勖?。盡量減少電池的充放電倍率，高倍率充放（快充，快放）電會(huì)使電池極化，極化的內(nèi)阻在充放電電流的作用下產(chǎn)生大量的熱，會(huì)加劇電池內(nèi)部副反應(yīng)。避免深度放電（DoD），深度放電會(huì)破壞電極材料的晶體結(jié)構(gòu)，會(huì)減低電池壽命。
