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電池、電機、電控技術是電動汽車的三大件，這三塊決定了一款電動汽車的性能與質(zhì)量。而電控技術的核心，便是 BMS 系統(tǒng)，BMS 系統(tǒng)是影響電動汽車續(xù)航里程與充電時長的最重要的因素之一。它負責對電動汽車的動力電池進行安全監(jiān)控和有效管理，讓動力電池在最佳的狀態(tài)下工作，提高動力電池的效率和可靠性并延長它的使用壽命。
在以動力電池為能量源的電動汽車中，BMS 作為連接電池組、整車系統(tǒng)和電機的“紐帶”，其重要性不言而喻。隨著電動汽車銷量不斷增加，BMS 的市場規(guī)模也在不斷擴大，2018 年全球 BMS 產(chǎn)值規(guī)模 53.1 億美元，2019 年全球 BMS 產(chǎn)值規(guī)模超過 60 億美元；預計 2025 年全球 BMS 產(chǎn)值規(guī)模將達到 111.7 億美元。
那么，未來幾年，BMS 技術將會呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢？與非網(wǎng)策劃的《BMS 的新使命》專題中，我們邀請了瑞薩電子中國汽車解決方案事業(yè)部技術市場經(jīng)理張瑋先生，他負責瑞薩電子中國區(qū) BMS 市場推廣和應用。
瑞薩電子中國汽車解決方案事業(yè)部技術市場經(jīng)理 張瑋先生
BMS的四項核心技術優(yōu)化電池續(xù)航和充電問題
相對燃油汽車，續(xù)航里程短、充電時間長一直是電動汽車的痛點，BMS 作為電池管理系統(tǒng)在續(xù)航里程和充電長時間改善上起著重要作用。BMS 首先要對動力電池的狀態(tài)進行實時、精準地監(jiān)測，接下來要在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上對電池狀態(tài)（如 SOC 剩余電量和 SOH 電池健康程度）進行評估，以確定合適的控制策略，確保電池組在安全的工作狀態(tài)下，完成充電、放電和配電的過程，最大限度地優(yōu)化電能的使用、延長電池的壽命。
關于電動汽車的續(xù)航里程和充電時間優(yōu)化，張瑋從技術角度分析了 BMS 系統(tǒng)的幾項核心技術：
第一項便是電池狀態(tài)估算技術，這項技術可以基于電池的精確建模和參數(shù)監(jiān)測。通過大數(shù)據(jù)分析和先進的算法，對 SOC、SOH、SOP 等電池狀態(tài)進行準確的估算，為電池管理提供可靠的基礎。
第二項便是均衡管理技術，電動汽車的鋰電池組中單體電池的不一致性會極大影響電池組的可用容量，這就需要通過均衡管理技術（通常包括被動均衡和主動均衡兩種技術）提到單體電池的一致性，提升電池組的使用壽命。
第三項是 BMS 系統(tǒng)的分布式架構，分布式的 BMS 系統(tǒng)將電池模組和電池采集單元集成在一起，讓電池組更加模塊化、標準化和智能化，擴展性更強，還可簡化裝配過程、便于實現(xiàn)電池的梯次利用。
最后一項便是將 BMS 技術與整車控制器（VCU）功能的集成，這項技術可以由 VCU 根據(jù)整車信息和電池信息采取更合理和高效的控制策略，對于可提升實時性、安全性和可靠性也很有幫助。
延長電池壽命的有效方式
電池壽命一直是電動汽車面臨的重要課題，業(yè)界一直在針對提高電池使用壽命進行技術研發(fā)。到目前為止，最行之有效的就是 BMS 技術，這項技術能夠在電池充放電過程中，實時采集動力電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時能夠及時給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性，使剩余電量估計模型的實現(xiàn)成為可能。除此以外，BMS 還將建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。
針對瑞薩的 BMS 技術，張瑋介紹，“瑞薩電子也推出了令人印象深刻的 BMS ISL78714 電池管理 IC，此款方案可以提供精準的電池電壓與溫度測量、電池均衡及廣泛的系統(tǒng)診斷，目的是更好的保護 14 節(jié)鋰電池組，最大限度的提升電動汽車的電池壽命和續(xù)航里程?！?/p>
他強調(diào)，“與傳統(tǒng) BMS 相比，瑞薩電子賦予了 ISL78714 更多技術優(yōu)勢，其可監(jiān)測并均衡多達 14 個串聯(lián)電池，在汽車工作溫度范圍內(nèi)測量精度可達±2 mV，能夠更加完善的幫助系統(tǒng)設計人員根據(jù)絕對電壓水平進行判斷。在做到高性能的同時，ISL78714 保證了電動汽車電池組系統(tǒng)的安全性與可靠性，使汽車制造商能夠達到 ISO 26262 汽車安全完整性等級（ASIL D）評估?！?/p>
BMS的整合和優(yōu)化
隨著電動汽車的不斷發(fā)展，BMS 技術也不斷成熟，未來的 BMS 技術也將更加智能化和數(shù)據(jù)化，而那些進行更多的 BMS 試驗開發(fā)、制造以及梯次利用等環(huán)節(jié)實驗，并且有詳細的電池數(shù)據(jù)的 BMS 企業(yè)將更具競爭力。
功能安全領域未來也將是 BMS 發(fā)展的重點，一款新的 BMS 在投放市場前需要經(jīng)過嚴格的環(huán)境可靠性測試，其周期可能長達數(shù)年，在一些簡單的實時監(jiān)測功能上需要添加產(chǎn)品功能的可靠性、穩(wěn)定性、精準度、使用壽命等更加嚴格的測試標準。
瑞薩電子認為，安裝優(yōu)秀的電池管理學 BMS 能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預防電池組自燃，如遇緊急情況提前對司機做出突發(fā)事件預警，為保障安全贏得時間。
芯片廠商如何應對BMS技術帶來的挑戰(zhàn)？
眾所周知，電動汽車的核心是電池，而電池的核心在電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)作為實時監(jiān)控、自動均衡、智能充放電的電子部件，起到保障安全、延長壽命、估算剩余電量等重要功能，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件。隨著電動汽車的不斷發(fā)展，BMS 技術也將迎來新的技術挑戰(zhàn)。
作為近年來興起的技術，BMS 的技術門檻是相當高的。沒有長期研發(fā)的積累和大量數(shù)據(jù)的沉淀，難以開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，因此，BMS 研發(fā)需要大量的時間與資金支持，導致了目前 BMS 研發(fā)技術參差不齊。
張瑋強調(diào)，“對于大多數(shù)芯片廠商來說，BMS 的發(fā)展都需要經(jīng)過大量實踐，比較容易受到資金限制，所以，BMS 行業(yè)需要規(guī)范自身研發(fā)標準，提升研發(fā)效益。芯片廠商們也要增強核心零件自我生產(chǎn)能力，與其他企業(yè)合作研發(fā)，爭取能夠實現(xiàn)全新的 BMS 行業(yè)聯(lián)盟。”
保持電池系統(tǒng)創(chuàng)新應對安全問題
自新能源汽車走入大眾生活以來，發(fā)生起火和自燃事件是屢見不鮮，每次事故都備受市場關注，這也引發(fā)了大眾對于新能源汽車安全方面的眾多思考。電動汽車的動力來源正是來自于一個個小的電池個體，舉例來說，一輛電動汽車的電池組里面有著幾千節(jié)鋰電池單體。那么可以想象如此多的電池單體，每一個都是單獨制造，即便是生產(chǎn)線產(chǎn)物，也難免在一致性上出現(xiàn)問題。而且在后期的復雜環(huán)境中使用，難保會有某一節(jié)電池單體出現(xiàn)問題，從而導致整個電池組乃至整個動力電池單元的損壞。
BMS 系統(tǒng)是電動汽車不可或缺的重要部件，是管理和監(jiān)控動力電池的中樞，管理、維護、監(jiān)控電池各個模塊，肩負著防止電池過充過放電、延長電池使用壽命、幫助電池正常運行的重任。
張瑋介紹，“目前瑞薩電子擁有為滿足汽車級 (AEC-Q100)打造的鋰離子電池管理解決方案 (BMS)，該解決方案是專為滿足新一代電動汽車應用的嚴格安全性、可靠性和性能要求而設計。我們的電池平衡和安全產(chǎn)品組合采用高度集成的 ISL78714、ISL78600 和 ISL78610 鋰電池管理系統(tǒng)和安全監(jiān)控 IC，具有眾多優(yōu)勢，并顯著減少混合動力、插電式混合動力及電動車 (HEV/PHEV/EV) 電池組及其相關系統(tǒng)的總體電池管理成本?！?/p>
除此之外，瑞薩電子還提供 ISL78692 和 ISL78693 汽車級單芯電池充電器，可延長車載緊急呼叫（eCall）系統(tǒng)中使用的鋰離子 (Li-ion)、鋰聚合物 (Li-polymer) 和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池續(xù)航時間。此外，在 Formula E 賽事上，瑞薩電子還為馬恒達車隊設計并開發(fā)了 BMS 模塊包括汽車級 BMS 組件，外殼和鋰離子電池。此外，創(chuàng)新的低壓 BMS 模塊還為其高功率處理器 RH850/E2x 微控制器（MCU）提供了足夠的額外處理帶寬，以支持未來的低壓電池系統(tǒng)創(chuàng)新。
“與非管理型低壓鋰離子電池系統(tǒng)相比，瑞薩 Formula E BMS 模塊提供了顯著的安全性改進，同時提高了低壓系統(tǒng)的整體效率和可靠性。我們在開發(fā) MS 時采用的模塊級方法，需要定制設計電路原理圖、PCB、硬件組件、軟件以及對每個組件和整個模塊進行嚴格測試。我們的低壓 BMS 技術的增強性能和功能最終可以為電動汽車帶來一系列的設計、開發(fā)甚至是商業(yè)改進?！?張瑋最后表示。
