據Marklines統計,2020年全球電動(dòng)汽車(chē)的總銷(xiāo)量為289.24萬(wàn)輛,同比增長(cháng)了45%。在電動(dòng)車(chē)快速普及的今天,電池壽命和安全問(wèn)題仍然是困擾消費者和生產(chǎn)廠(chǎng)商的一個(gè)難題。如何對電池進(jìn)行科學(xué)有效的管理,成為了眾多新能源電池廠(chǎng)商技術(shù)攻堅的突破口。
行業(yè)背景和趨勢下,BMS(電池管理系統)成為了行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向,作為連接車(chē)載電池和電動(dòng)車(chē)的重要紐帶,BMS能夠實(shí)時(shí)估測電池的荷電狀態(tài),檢測電池使用狀態(tài),并對電池該如何發(fā)揮作用進(jìn)行直接管控。除此之外,BMS還要跟整車(chē)系統進(jìn)行信息交換,解決鋰電池系統中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關(guān)鍵問(wèn)題。有數據顯示,2020年全球BMS產(chǎn)值規模超過(guò)60億美元,預計2025年將達到111.7億美元,2017-2025年復合增長(cháng)率達到11.6%。

BMS是一個(gè)多元化市場(chǎng),從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看,目前BMS市場(chǎng)參與者主要分為三類(lèi):(1)動(dòng)力電池企業(yè)主導,大多是“BMS+PACK”模式,掌握動(dòng)力電池電芯到電池包的整套核心技術(shù),具有較強的競爭實(shí)力。代表企業(yè)有寧德時(shí)代、比亞迪、松下等;(2)整車(chē)廠(chǎng)主導,整車(chē)企業(yè)對電芯的參與較少,一般通過(guò)兼并購、戰略合作等方面進(jìn)入。特斯拉、北汽、吉利、大眾等車(chē)企均有專(zhuān)門(mén)的研發(fā)團隊進(jìn)行BMS研發(fā),除了核心技術(shù)的掌握外,在成本和效率方面較其他企業(yè)有較強的競爭力;(3)第三方BMS企業(yè),相關(guān)軟硬件都由企業(yè)自主進(jìn)行研發(fā)設計,具備技術(shù)積累優(yōu)勢。
對此,英飛凌科技大中華區汽車(chē)電子事業(yè)部動(dòng)力系統與新能源業(yè)務(wù)單元市場(chǎng)經(jīng)理張昌明表示,從2018到2020的BMS市場(chǎng)份額分布來(lái)看,BMS產(chǎn)業(yè)鏈上的decision maker已經(jīng)發(fā)生了變化,從曾經(jīng)BMS方案供應商決定發(fā)展到今天的電池廠(chǎng)與整車(chē)廠(chǎng)自研或定制開(kāi)發(fā)。2021年的芯片供應環(huán)境也影響了主機廠(chǎng)與電池廠(chǎng)加強對芯片決策的參與度,能夠提供整體解決方案的芯片廠(chǎng)商將會(huì )獲得更多的機會(huì )。
BMS芯片解決方案的供應商主要是德州儀器、亞德諾半導體、瑞薩電子、英飛凌、恩智浦、意法半導體和安森美半導體等傳統半導體大廠(chǎng)。這些企業(yè)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中耕耘多年,其產(chǎn)品一直都在跟隨汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展推出更創(chuàng )新的產(chǎn)品。
在籌備與非網(wǎng)6月專(zhuān)題過(guò)程中,筆者向以上幾家芯片廠(chǎng)商發(fā)出邀請,深入交流了電動(dòng)汽車(chē)BMS的發(fā)展現狀,其中存在的困境與挑戰,以及未來(lái)的發(fā)展走向。
BMS現狀、困局與未來(lái)
BMS之所以如此重要,是因為電池本身在成本和性能上已成為整車(chē)廠(chǎng)致勝的關(guān)鍵點(diǎn),而電池的續航里程、快充、成本和安全檢測等均與BMS的優(yōu)化息息相關(guān)。
亞德諾半導體(ADI)中國汽車(chē)電子事業(yè)部資深戰略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟表示,按照新能源汽車(chē)對電池管理的需求,BMS系統具備的功能包括SOC/SOH估算、故障診斷、均衡控制、熱管理和充電管理等,這些功能的實(shí)現首先需要BMS芯片對電池電壓,電流,溫度等特性進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的采集和檢測,進(jìn)而通過(guò)BMS系統的軟件與算法得以實(shí)現。
電池物理參數監測&數估算
根據V/I/T測量值,估算內阻容量然后估算出SOC和SOH,最終反應出剩余可行駛里程數和電池包老化程度。
然而,BMS的剩余容量估算一直是業(yè)界難點(diǎn)。首先這是一個(gè)根據電池組電壓,電流,放電倍率,溫度等因素經(jīng)過(guò)算法計算的估算值,要求系統先要采集的足夠準,足夠快才能保證最后的結果準確。這又對主控芯片的處理速度,AFE的精度,采集電流的方案選擇,溫度傳感器的精度提出新的要求,還有從系統整體考量采樣頻率的大小諸多因素有關(guān)。選用高處理速度高精度的芯片勢必會(huì )增加成本,采樣頻率越快系統負荷也越大,所以在目前技術(shù)條件下,業(yè)界都是參考具體項目來(lái)權衡各方面因素。
張昌明也強調了電壓、電流的檢測對檢測時(shí)序的重要性,“我們需要盡量保證這些參數都是在同一時(shí)刻所讀取到的,否則時(shí)間間隔過(guò)寬就失去了意義。溫度檢測的難點(diǎn)在于溫度網(wǎng)絡(luò )的建立,現有的溫度檢測都是通過(guò)多點(diǎn)檢測來(lái)創(chuàng )建溫度網(wǎng)絡(luò ),但這個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際是預估出來(lái)的,并不能完全反映實(shí)際的溫度狀況。要更準確的感知電芯溫度就需要更多的溫度傳感器,這就提高了BMS系統方案的設計難度!
儒卓力戰略營(yíng)銷(xiāo)和傳播總監Andreas Mangler表示,除了SOC/SOH參數監控外,電池單元的膨脹也是BMS中要考慮的重要方面。這就是原有BMS與當前電池技術(shù)水平的不同所在,所有這些參數都可以通過(guò)交流和直流阻抗測量以及合適的電池軟件建模來(lái)確定。
恩智浦半導體應用方案設計和新產(chǎn)品驗證經(jīng)理喬旭彤指出,隨著(zhù)市場(chǎng)越來(lái)越成熟,BMS設計中需要一些新增的參數檢測項來(lái)完善電池管理系統,比如單體的溫升速率、更精確的包內壓力檢測等,來(lái)滿(mǎn)足對安全和性能日益增多的要求。
SOC:當前電池荷電量占當前總體可用容量的百分比,表征當前剩余電量,反應在車(chē)輛儀表盤(pán)上為剩余里程數。
SOH:各家定義略有不同,主流是按照當前電池包總容量占新電池初始容量的百分比,表征電池包老化程度的一個(gè)重要參數。國標要求的動(dòng)力電池退役指標,就是按照容量特征來(lái)定義的。
BMS除了強化被動(dòng)監控能力以外,加強均衡和熱管理等主動(dòng)作用于動(dòng)力電池的能力,是除了加強電芯、模組等自身設計安全性以外,從本質(zhì)上提高系統安全性的根本所在。
均衡管理
在當前技術(shù)現狀下,要求電池包內所有電芯完全一致是幾乎不可能的事情,這就意味著(zhù)各電芯間會(huì )存在著(zhù)不一致的工作條件(內阻/發(fā)熱量/SOC區間)及不同的老化率,所以需要均衡管理。BMS有被動(dòng)均衡管理和主動(dòng)均衡管理兩種方式。
張昌明向筆者表示,目前量產(chǎn)的BMS方案幾乎都是采用被動(dòng)均衡式管理。被動(dòng)均衡功能通過(guò)模擬前端芯片內置的均衡電路實(shí)現,相較于主動(dòng)均衡,被動(dòng)均衡通過(guò)電阻耗散能量實(shí)現,功率需求小,系統設計簡(jiǎn)單,具有成本低,性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)均衡需要更多的器件來(lái)實(shí)現任意電芯間的能量轉移,功率需求大,系統需要矩陣式設計。由于零件數量增多,由此引起的系統可靠性也是不容忽視的問(wèn)題。
陳晟指出,被動(dòng)均衡方案因其成本上的優(yōu)勢,被新能源汽車(chē)廣泛采用。但它并未改善電池供電系統的運行時(shí)間,它提供了一種成本相當低的電池均衡方法,但由于放電電阻的存在,該過(guò)程中會(huì )浪費能量。對于希望系統運行時(shí)間最大化和充電效率更高的客戶(hù),主動(dòng)均衡是最佳選擇。在充電和放電期間,主動(dòng)電池均衡不會(huì )浪費能量,而是將能量重新分配給電池組中的其他電池單元。放電時(shí),較強的電池單元會(huì )給較弱的電池單元補充能量,從而延長(cháng)電池單元達到其完全耗盡狀態(tài)的時(shí)間。但是隨著(zhù)未來(lái)電池一致性的提高,被動(dòng)均衡方案的性?xún)r(jià)比愈發(fā)突出,仍將是市場(chǎng)的主流方案。
對于均衡管理未來(lái)的發(fā)展走向,意法半導體大中華暨南亞區汽車(chē)電子市場(chǎng)及應用部新能源車(chē)技術(shù)創(chuàng )新中心市場(chǎng)經(jīng)理付志凱也認為,隨著(zhù)電池技術(shù)的進(jìn)步,電池性能和電池環(huán)境一致性越來(lái)越好,越來(lái)越多的BMS支持休眠均衡,以提高均衡效率,被動(dòng)均衡將繼續是未來(lái)發(fā)展趨勢。
被動(dòng)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,從而達到均衡的目的。其電路簡(jiǎn)單可靠,成本較低,電池效率也較低;
主動(dòng)均衡充電時(shí)將多余電量轉移至高容量電芯,放電時(shí)將多余電量轉移至低容量電芯?商岣呤褂眯,但是成本更高,系統與電路復雜,可靠性低。
熱管理
熱管理功能,使得BMS能夠對電池包施加主動(dòng)作用。電池溫度過(guò)高時(shí),熱管理系統開(kāi)動(dòng)冷卻功能,電池溫度過(guò)低無(wú)法啟動(dòng)行車(chē)時(shí),熱管理系統開(kāi)動(dòng)加熱功能。對于主控模塊,熱管理只是一套算法和幾個(gè)接觸器控制端口。熱管理技術(shù)含量主要集中在冷卻加熱設備以及與之匹配的冷卻出現冷凝水、風(fēng)冷解決密封等級等具體問(wèn)題上。
具備熱管理功能對整個(gè)電池系統意義重大,是設計者能夠阻止熱失控發(fā)生的重要手段,是從設計上保障動(dòng)力電池安全和延長(cháng)使用壽命的重要方式。喬旭彤指出,但是一旦熱管理失效,在電池發(fā)生熱失控和熱擴散時(shí),BMS需要能夠及時(shí)介入并上報危險警報,為乘客的逃生提供充足的時(shí)間!2020年工信部組織制定的GB38031-2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》作為強制性國家標準發(fā)布,標準增加了電池系統熱擴散試驗,要求電池單體發(fā)生熱失控后,電池系統在5分鐘內不起火不爆炸,為乘員預留安全逃生時(shí)間! 張昌明補充道。

BMS未來(lái)走勢:無(wú)線(xiàn)BMS & 云端BMS
隨著(zhù)BMS產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,以及5G、AI、云計算等技術(shù)的興起和成熟,BMS未來(lái)將呈現出怎樣的創(chuàng )新趨勢?
無(wú)線(xiàn)BMS
隨著(zhù)人們對新能源汽車(chē)續航能力以及電池安全性的重視程度不斷提高,無(wú)線(xiàn)BMS成為了技術(shù)研發(fā)和應用的重要方向,取代了電池組和電池管理系統之間的傳統有線(xiàn)連接,逐步從早期的研發(fā)階段開(kāi)始步入產(chǎn)業(yè)化。
瑞薩電子Bruce Zhang說(shuō)道,無(wú)線(xiàn)BMS技術(shù)采用無(wú)線(xiàn)通訊方案與電池監測器協(xié)同工作,無(wú)線(xiàn)通訊的功耗低,可拓展性強,減少線(xiàn)纜和連接器,簡(jiǎn)化了PACK結構,主從板之前也沒(méi)有高壓風(fēng)險,可以大幅度提高電池管理的可靠性,精度,降低整體成本。
陳晟介紹了BMS產(chǎn)品架構的兩個(gè)發(fā)展方向,一個(gè)是BMS有線(xiàn)通信架構,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(guò)隔離的雙絞線(xiàn)連接,組成一個(gè)環(huán)形的有線(xiàn)拓撲。另一個(gè)是未來(lái)的發(fā)展方向就是無(wú)線(xiàn)BMS,每個(gè)模塊之間不再有傳輸的通信線(xiàn)。
不管采用哪種通信技術(shù),BMS系統對于信號傳輸的實(shí)時(shí)性可靠性的要求是一致的。無(wú)線(xiàn)通信有更多機制來(lái)確保實(shí)現這兩個(gè)要求,同時(shí)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。但是由于電池包設計的復雜性,有大量測試和驗證工作需要在量產(chǎn)前完成。
德州儀器(TI)中國區汽車(chē)業(yè)務(wù)部技術(shù)支持團隊經(jīng)理郭津認為,為電池提供通信線(xiàn)束連接以及在維修時(shí)對各電池進(jìn)行隔離是非常困難的,并且需要花費更多成本。車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)可能會(huì )引起線(xiàn)束斷裂,并進(jìn)而導致需要更換整個(gè)電池包。電池模組直接將電芯采樣信息傳送到BMS微控制器 (MCU) 的做法可以解決上述有線(xiàn)通信方式帶來(lái)的挑戰,然而,采用無(wú)線(xiàn)解決方案的前提是其性能需要與有線(xiàn)解決方案相媲美,其中一項關(guān)鍵指標是無(wú)線(xiàn)BMS網(wǎng)絡(luò )可用性。
當然,無(wú)線(xiàn)BMS成為趨勢背后,業(yè)界也不乏一些質(zhì)疑的聲音。喬旭彤表示,無(wú)線(xiàn)BMS的應用還處于預研階段,目前落地還存在很多困難,主要原因包括EMC尚無(wú)標準框定、功能安全和成本很難平衡等。
張昌明從價(jià)值鏈角度來(lái)看,無(wú)線(xiàn)BMS還處理初期階段,尚未形成明顯的系統成本優(yōu)勢或者解決有線(xiàn)BMS的痛點(diǎn)問(wèn)題。目前在研項目基本上都是預研項目,正在探索無(wú)線(xiàn)BMS的設計難點(diǎn)以及包內無(wú)線(xiàn)傳輸的通信能力。通過(guò)我們的調查研究,無(wú)線(xiàn)BMS的推廣最先應該會(huì )電池梯次利用、電池模組倉儲管理、儲能系統無(wú)線(xiàn)BMS三個(gè)維度展開(kāi)。
云端BMS
隨著(zhù)云技術(shù)的發(fā)展成熟,電池數據(剩余電量、放電速度、環(huán)境和工況等各種數據)可以實(shí)時(shí)傳輸到云端,可以在云端進(jìn)行大數據分析和處理,從而更好地估算電池的剩余電量和健康狀態(tài)。
基于此需求,張昌明認為BMS要升級形成域或區級的控制系統,需要更強的MCU、更快速的通訊速度。結合未來(lái)?yè)Q電方案的推廣,能源供應體系需要集中式的管理儲能資產(chǎn),從而發(fā)展出云端BMS的需求。電池包內的BMS系統可能受制于能耗,不能無(wú)限提升算力。因此,可以將復雜的計算工作放置于云端處理。電池包運營(yíng)商通過(guò)云端來(lái)管理、監控所有的電池包運行狀態(tài)并與車(chē)輛互動(dòng)。
陳晟認為,基于云平臺的電芯級別全程無(wú)線(xiàn)監控,借助無(wú)線(xiàn)電池管理系統的優(yōu)勢不僅在汽車(chē)制造上實(shí)現降低成本,更加靈活的電池布局讓電動(dòng)車(chē)工業(yè)設計更加靈活,同時(shí)能夠在電池生產(chǎn)、倉儲、運輸整個(gè)流程中全程實(shí)現數據實(shí)時(shí)采集和基于云平臺的監測分析。這些信息可以實(shí)時(shí)傳遞到云端,汽車(chē)廠(chǎng)商可以通過(guò)這些數據延長(cháng)電池以及整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的生命周期;產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴可以利用這些數據評估電池的健康狀態(tài)以及殘值,促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)二手車(chē)市場(chǎng)的健康可持續發(fā)展,讓消費者愿意去購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē);甚至在電池不能繼續服役于電動(dòng)汽車(chē)時(shí),仍然能根據實(shí)際存在的準確容量評估有效的服役于儲能等梯次利用場(chǎng)景中。
此外,付志凱認為,越來(lái)越多的客戶(hù)還需要FOTA(無(wú)線(xiàn)固件更新)功能,實(shí)時(shí)更新軟件,即使汽車(chē)售出后也可以通過(guò)FOTA更新功能。一旦發(fā)現軟件漏洞,FOTA可以立即更新軟件,可以消除或降低汽車(chē)廠(chǎng)商的召回成本。因此,BMS需要支持FOTA功能和網(wǎng)絡(luò )加密。
功能安全領(lǐng)域,Bruce Zhang認為,未來(lái)也將是BMS發(fā)展的重點(diǎn),一款新的BMS在投放市場(chǎng)前需要經(jīng)過(guò)嚴格的環(huán)境可靠性測試,其周期可能長(cháng)達數年,在一些簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)監測功能上需要添加產(chǎn)品功能的可靠性、穩定性、精準度、使用壽命等更加嚴格的測試標準。
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的不斷發(fā)展,BMS技術(shù)也不斷成熟,未來(lái)的BMS技術(shù)也將更加智能化和數據化,而那些進(jìn)行更多的BMS試驗開(kāi)發(fā)、制造以及梯次利用等環(huán)節實(shí)驗,并且有詳細的電池數據的BMS企業(yè)將更具競爭力。
國產(chǎn)BMS產(chǎn)業(yè)進(jìn)展
對于BMS行業(yè)發(fā)展脈絡(luò ),Bruce Zhang表示,作為近年來(lái)興起的技術(shù),BMS的技術(shù)門(mén)檻是相當高的。沒(méi)有長(cháng)期研發(fā)的積累和大量數據的沉淀,難以開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,對于大多數芯片廠(chǎng)商來(lái)說(shuō),BMS的發(fā)展都需要經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐。因此,BMS研發(fā)需要大量的時(shí)間與資金支持,導致了目前BMS研發(fā)技術(shù)參差不齊。BMS行業(yè)需要規范自身研發(fā)標準,提升研發(fā)效益。芯片廠(chǎng)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(shí)現全新的BMS行業(yè)聯(lián)盟。
喬旭彤表示,中國是世界最大的電動(dòng)車(chē)市場(chǎng),也提供了最大的應用環(huán)境,能夠更好地促進(jìn)BMS的技術(shù)迭代與新的需求的提出,相對來(lái)說(shuō),國內的BMS市場(chǎng)更加成熟。就目前來(lái)看,中國在應用多樣性、市場(chǎng)容量方面依然是領(lǐng)先的。
張昌明則指出,國內BMS市場(chǎng)經(jīng)過(guò)這兩年的發(fā)展,已經(jīng)向電池廠(chǎng)或整車(chē)廠(chǎng)自主開(kāi)發(fā)或與BMS解決方案供應商合作開(kāi)發(fā)的形式發(fā)展了。從這一點(diǎn)看,國內外市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)模式已經(jīng)統一,用戶(hù)將對BMS方案提出更多的要求以及方案決定權。隨著(zhù)中國新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規劃的推動(dòng),中國的BMS市場(chǎng)發(fā)展可能還會(huì )超前國外市場(chǎng),主要推動(dòng)力應該會(huì )來(lái)自電池整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的運作模式。
然而,在BMS核心芯片方面,國內依然依賴(lài)進(jìn)口。BMS方案中主要的芯片有AFE、MCU、ADC、數字隔離器等。目前市面上可以接觸到的AFE內部結構基本都大同小異,最主要的不同點(diǎn)在于采樣通道數、內部ADC的數量、類(lèi)型和架構。AFE產(chǎn)品的供應商主要是國外的企業(yè),國內目前沒(méi)看到有哪家廠(chǎng)商提供AFE芯片。
MCU方面,目前國內有一些MCU廠(chǎng)商在積極布局車(chē)規級產(chǎn)品,比如兆易創(chuàng )新、芯旺微、比亞迪、杰發(fā)科等;ADC方面,目前主要的供應商還是TI、ADI、瑞薩電子等外企,國內可以提供車(chē)規級ADC的企業(yè)目前還幾乎沒(méi)有;在數字隔離方面,主要用在高低壓之間的數字通信,比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信,以及采樣板AFE與MCU的SPI通信,依然以國外供應商為主。
Bruce Zhang表示,中國本土品牌和國際大廠(chǎng)的BMS核心芯片差距還比較大。目前本土品牌還基本上集中在工業(yè),消費類(lèi)領(lǐng)域,如對可靠性,功能安全要求比較高汽車(chē)電子領(lǐng)域,本土品牌量產(chǎn)的基本上很少,車(chē)廠(chǎng)試錯的意愿還不是很強,還處于攻克關(guān)鍵技術(shù)壁壘階段。
寫(xiě)在最后
上述不難看到,BMS對于電動(dòng)汽車(chē)的重要性和必要性。電池風(fēng)險可以通過(guò)BMS實(shí)時(shí)監測并分析電池運行的關(guān)鍵數據的變化,進(jìn)行提前預警,從而避免不必要的人員傷亡。同時(shí),還能最大限度地延長(cháng)電池的整體使用壽命,降低擁有成本。
但車(chē)用動(dòng)力電池安全性是一個(gè)很復雜的課題,仍存在很多待解決的難題和挑戰,整個(gè)行業(yè)還在全力研究和探索其背后的機理及解決辦法。BMS作為其中的重要部分,深入其中,在機遇和趨勢下摸索向前。
致謝
在此向參與本次采訪(fǎng)的企業(yè)和嘉賓表示感謝(排名順序無(wú)先后):
ADI中國汽車(chē)電子事業(yè)部 資深戰略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟
英飛凌科技大中華區汽車(chē)電子事業(yè)部動(dòng)力系統與新能源業(yè)務(wù)單元市場(chǎng)經(jīng)理張昌明
恩智浦半導體應用方案設計和新產(chǎn)品驗證經(jīng)理喬旭彤
意法半導體大中華暨南亞區汽車(chē)電子市場(chǎng)及應用部 新能源車(chē)技術(shù)創(chuàng )新中心市場(chǎng)經(jīng)理付志凱
德州儀器(TI)中國區汽車(chē)業(yè)務(wù)部技術(shù)支持團隊經(jīng)理郭津
瑞薩電子Bruce Zhang
儒卓力戰略營(yíng)銷(xiāo)和傳播總監Andreas Mangler |