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BMS 被稱為汽車(chē)電池的“調(diào)音師”，是釋放動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵因素，隨著純電動(dòng)汽車(chē)逐漸普及，安全問(wèn)題突顯，BMS 面臨著怎樣全新的使命？在與非網(wǎng)策劃的《BMS的新使命》專題中，我們特邀安徽優(yōu)旦科技有限公司創(chuàng)始人兼總經(jīng)理彭勇俊先生參與本期討論。
針對(duì) BMS 技術(shù)，芯片廠商面臨諸多挑戰(zhàn)。作為新能源汽車(chē)最核心電控部件之一，BMS 不可避免地面臨成本、品質(zhì)、交付等諸多挑戰(zhàn)，在采訪中，彭勇俊向與非網(wǎng)記者解釋，“我們認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)還是在‘如何將鋰電池管理得更好’這個(gè)核心命題上。成本、品質(zhì)、交付方面的提升有大量成熟的傳統(tǒng)汽車(chē)電子經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但車(chē)用動(dòng)力鋰電池作為一個(gè)相對(duì)年輕的新興應(yīng)用產(chǎn)品，在對(duì)其全生命周期高效管理方面還存在很多新的技術(shù)領(lǐng)域有待進(jìn)一步研究探索，如電池模型、參數(shù)標(biāo)定、管理算法和策略等。芯片廠商需要立足可靠性、采集精度及計(jì)算能力等方面做進(jìn)一步提升，為‘將鋰電池管理得更好’提供更加堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)和資源保障。”
安徽優(yōu)旦科技有限公司創(chuàng)始人兼總經(jīng)理 彭勇俊
BMS改善續(xù)航里程和充電時(shí)間的關(guān)鍵點(diǎn)
相對(duì)燃油汽車(chē)，續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)一直是電動(dòng)汽車(chē)的痛點(diǎn)，BMS 從哪些方面可以改善電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和充電時(shí)間？針對(duì)這一問(wèn)題，彭勇俊從三個(gè)方面分析了 BMS 對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的改善：
第一， 提高電池的均衡效率。大家都知道一個(gè)電池系統(tǒng)由很多節(jié)電芯組成，并且遵循木桶效應(yīng)，即電池系統(tǒng)的性能很大程度上取決于性能最差的那節(jié)電芯，提高電池均衡效率，提升電芯一致性，可以切實(shí)延長(zhǎng)車(chē)輛的續(xù)航里程；
第二， 提高剎車(chē)或車(chē)輛下坡過(guò)程中的能量回收效率。好的能量回饋控制算法需要在確保電池應(yīng)用安全前提下盡可能充分地發(fā)揮電池充電性能，通過(guò)對(duì) SOC、溫度、瞬時(shí)充電功率、持續(xù)充電功率的實(shí)時(shí)運(yùn)算得出當(dāng)前最高效的回饋功率策略；
第三， 提高 SOC 的估算精度。這也可以理解為從另外一個(gè)維度提升續(xù)航里程，即用戶對(duì)真實(shí)電量掌握得越準(zhǔn)確，就越有信心使用更大范圍的 SOC 區(qū)間。
關(guān)于如何縮短充電時(shí)間，他認(rèn)為，“充電時(shí)間可以在保證安全的情況下，通過(guò)提高充電功率來(lái)縮短充電時(shí)間。提高充電功率的有效方法是良好的熱管理策略，根據(jù)電池系統(tǒng)的熱力模型對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)性調(diào)節(jié)，使電池在整個(gè)充電過(guò)程中都處于最佳溫度條件，熱管理策略需要隨著電池老化持續(xù)調(diào)整?！?/p>
防止電池的電濫用是確保安全的前提
電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn),也是產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的根基，而且目前電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題大部分和電池系統(tǒng)直接或間接相關(guān)。BMS 作為電池系統(tǒng)的大腦，主要是防止電池的電濫用，可以從一下幾個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)：
第一，溫度防護(hù)。BMS 有明確的工作溫度閾值設(shè)置，針對(duì)充放電均有最高最低的溫度限制，超過(guò)設(shè)置限制，系統(tǒng)不得開(kāi)啟或者必須降功率運(yùn)行；
第二，電壓防護(hù)。針對(duì)過(guò)充過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)，BMS 設(shè)置有最高最低的充電和放電電壓閾值，確保在觸及閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行；
第三，電流防護(hù)。通過(guò)高精度電池模型和算法準(zhǔn)確估算電池狀態(tài)，計(jì)算出安全高效的可用功率，監(jiān)控電池的電流，防止過(guò)流導(dǎo)致的電池劣化、枝晶等風(fēng)險(xiǎn)。
彭勇俊向與非網(wǎng)記者介紹，“高可靠、高精度的信號(hào)采樣以及軟硬件穩(wěn)定性是電池系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，電池模型和算法是電池系統(tǒng)安全的核心。優(yōu)旦科技 BMS 單體電壓采集誤差±1mV、溫度采集誤差±1℃、電流采集誤差±0.5%，提供模擬信號(hào)的精準(zhǔn)采集；軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中嚴(yán)格遵循汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程，應(yīng)用 MBD 開(kāi)發(fā)模式，確保系統(tǒng)穩(wěn)定；高精度電池充放電模型、功率池模型等配合高魯棒性算法實(shí)現(xiàn)，確保電池狀態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確?！?/p>
電池壽命一直是電動(dòng)汽車(chē)面臨的重要課題，幾乎所有的電池廠商都在通過(guò)技術(shù)研發(fā)延長(zhǎng)電池使用壽面，從而降低用戶使用成本。彭勇俊分析，影響電池壽命的因素及對(duì)策有以下幾方面：第一，化學(xué)體系很大程度上決定了鋰電池的壽命。電池廠可通過(guò)改進(jìn)電池化學(xué)體系提升電池壽命；第二，溫度影響電池壽命。充放電循環(huán)過(guò)程中，溫度越高，電池壽命衰減越快。為減少溫度對(duì)壽命的影響，電池成組時(shí)需要考慮熱場(chǎng)均衡，并制定合理的 BMS 熱管理策略，使電池最大程度地工作在適合的溫區(qū)；第三，電流影響電池壽命。過(guò)大的充放電電流會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部不可逆的化學(xué)和物理反應(yīng)，造成電池容量不可恢復(fù)性的衰減。針對(duì)這部分的影響，可通過(guò)優(yōu)化 BMS 中 SOP 算法進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，確保充放電功率在電池可承受范圍。放電深度影響電池壽命。淺充淺放有助于延長(zhǎng)電池壽命。針對(duì)放電深度的影響，電池包設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)預(yù)留容量，避免深度放電。
打破傳統(tǒng)BMS的桎梏，iBMS基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行有益探索
隨著對(duì)鋰電池精益管理要求的日益提升，傳統(tǒng) BMS 正面臨諸多挑戰(zhàn)。鋰電池就像一個(gè)生命體，在全生命周期中其狀態(tài)受多重影響因子交叉作用，很難有一個(gè)“完美”模型可以一勞永逸地表征其全部變化特征；另外，基于實(shí)驗(yàn)室樣本數(shù)據(jù)的 BMS 參數(shù)標(biāo)定，也無(wú)法精準(zhǔn)匹配電池應(yīng)用全過(guò)程，必須在過(guò)程中加以持續(xù)修正；此外，面對(duì)復(fù)雜算法，片上系統(tǒng)的存儲(chǔ)及運(yùn)算能力受限，或擴(kuò)展成本高企?！笆澜缟蠜](méi)有完全相同的兩片樹(shù)葉”，但傳統(tǒng) BMS 卻以出廠時(shí)統(tǒng)一設(shè)定的管理算法、參數(shù)和策略批量管理著狀態(tài)時(shí)刻變化的不同鋰電池，管理效能可想而知。
優(yōu)旦科技在業(yè)內(nèi)率先提出智能電池管理系統(tǒng) iBMS 的理念，倡導(dǎo)基于大數(shù)據(jù)的云端協(xié)同管理策略，并做出有益探索。iBMS 終端模塊集成雙向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元，在監(jiān)控、管理電池的同時(shí)將電池運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端，利用云端服務(wù)器近乎無(wú)限的存儲(chǔ)能力和運(yùn)算能力，針對(duì)非平穩(wěn)變化、多維度海量電池?cái)?shù)據(jù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析模型，持續(xù)迭代匹配電池最新?tīng)顟B(tài)的管理參數(shù)并無(wú)線下發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池更為強(qiáng)大的云端協(xié)同管理、全生命周期管理和個(gè)性化管理。
目前優(yōu)旦科技已經(jīng)完成技術(shù)突破并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的云端協(xié)同管理策略有：
第一， 云端狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)。實(shí)現(xiàn)高抗噪性、低誤差、高魯棒性、快速收斂的電池荷電狀態(tài)（SOC）、能量狀態(tài)（SOE）、功率狀態(tài)（SOP）、健康狀態(tài)（SOH）、剩余可用壽命（RUL）等電池狀態(tài)云端聯(lián)合估計(jì)，提升電池應(yīng)用體驗(yàn)，延長(zhǎng)電池使用壽命。
第二， 云端全時(shí)均衡。針對(duì)大容量電池組不一致性帶來(lái)的整體性能下降和健康狀況惡化現(xiàn)象，基于云端海量數(shù)據(jù)擬合每個(gè)單體充電數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)而計(jì)算出單體之間的容量差異并精準(zhǔn)預(yù)計(jì)均衡時(shí)間，通過(guò)服務(wù)器下發(fā)控制指令至終端模塊進(jìn)行均衡執(zhí)行，相較傳統(tǒng) BMS 均衡效率提升 80%以上。
第三， 云端主動(dòng)安全管理。依據(jù)路徑規(guī)劃、環(huán)境溫度、實(shí)時(shí)路況等多源信息，在云平臺(tái)邊緣側(cè)實(shí)時(shí)調(diào)整電池充放電功率管理策略和熱管理（加熱或制冷）策略，保證動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行；基于云端數(shù)據(jù)跟蹤不同工況環(huán)境下的電池輸入、輸出特性及電池性能的演變軌跡，建立電池全生命周期故障診斷機(jī)制；通過(guò)云平臺(tái)輔助高壓回路接觸電阻趨勢(shì)判斷和電池系統(tǒng)熱場(chǎng)變化分析，對(duì)電池亞健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和干涉。
關(guān)于未來(lái) BMS 的整合優(yōu)化空間，彭勇俊認(rèn)為，“廣義上可以從硬件、軟件兩個(gè)維度來(lái)理解 BMS。硬件通常由傳感器、運(yùn)算器、執(zhí)行器等部件構(gòu)成，隨著硬件能力尤其是芯片能力的提升，為 BMS 在硬件范疇上與整車(chē)其他電控部件進(jìn)行整合提供可能，以實(shí)現(xiàn)更高集成、更優(yōu)成本，比如現(xiàn)在很多主機(jī)廠提出的域控制器概念正是基于這種思考，未來(lái) BMS 可能不會(huì)作為一個(gè)獨(dú)立硬件模塊而存在。但無(wú)論硬件形態(tài)如何演變，軟件范疇的 BMS 核心本質(zhì)是不會(huì)變化的，面向多時(shí)間尺度、多應(yīng)力因素的電池模型和復(fù)雜工況下高精度、高魯棒性狀態(tài)管理算法，永遠(yuǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)電池安全、精準(zhǔn)、高效管理的靈魂所在?！?/p>
