眾所周知，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)則是其中的核心，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。如果說(shuō)，把一臺(tái)電動(dòng)車比作人體的話，那么電池系統(tǒng)就是他的心臟，而B(niǎo)MS電池管理系統(tǒng)就是支配其身體運(yùn)作的大腦。

為什么要有BMS？

既然叫做電池管理系統(tǒng)，BMS的主要工作就是處理和車載電池有關(guān)的任務(wù)。盡管當(dāng)前的電池制造工藝已經(jīng)讓各個(gè)電芯之間的差異化縮小，但是單節(jié)鋰電池之間仍然存在者內(nèi)阻、容量、電壓等差異，所以在實(shí)際應(yīng)用中，電池組內(nèi)部各單體電池容易出現(xiàn)散熱不均或過(guò)度充放電等現(xiàn)象。時(shí)間一長(zhǎng)，這些處于不良工作狀態(tài)下的電池就很可能提前損壞，電池組的整體壽命也就大大縮短。

不僅如此，電池處于嚴(yán)重過(guò)充電狀態(tài)下還存在爆炸的危險(xiǎn)，造成電池組損壞的同時(shí)還對(duì)使用者的人生安全造成威脅。因此，必須為電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池組配備一套具有針對(duì)性的電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)，從而對(duì)電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報(bào)，進(jìn)而提高整個(gè)動(dòng)力電池組的工作效率和使用壽命。

BMS的主要作用是什么？

一臺(tái)電動(dòng)車有上百塊電芯，BMS是如何管理的?如果我們見(jiàn)到過(guò)，電池包的剖析圖我們會(huì)看到內(nèi)部具有上百塊的電芯，如何管理這些密密麻麻的電芯系統(tǒng)呢?BMS系統(tǒng)的主要工作分成兩大任務(wù)——對(duì)電池的檢測(cè)和保證電池安全。

其中電池檢測(cè)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，主要是通過(guò)傳感器收集電池在使用過(guò)程中的參數(shù)信息比如：溫度、每一個(gè)電池單體的電壓、電流，電池組的電壓、電流等。這些數(shù)據(jù)在之后的電池組管理中起到至關(guān)重要的作用，可以說(shuō)如果沒(méi)有這些電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為支撐，電池的系統(tǒng)管理就無(wú)從談起。

如果我們把對(duì)電池的檢測(cè)流程，看成對(duì)電池“體檢”的話，那么這種“體檢”是在線的、持續(xù)的、不間斷的。過(guò)程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，可及時(shí)查詢對(duì)應(yīng)電池狀況，并挑選出有問(wèn)題的電池，從而保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性。當(dāng)電池的“體檢”結(jié)束之后，會(huì)進(jìn)入分析、診斷、計(jì)算的階段，之后生成“體檢報(bào)告”，這個(gè)過(guò)程可以理解為電池的狀態(tài)評(píng)估。

什么是SOC？

如果你開(kāi)過(guò)電動(dòng)車，那么肯定會(huì)在儀表盤(pán)上見(jiàn)到SOC的標(biāo)識(shí)，這又是什么意思呢?SOC即State of Charge，是電池組的荷電狀態(tài)簡(jiǎn)稱，我們更習(xí)慣叫它電池剩余電量。SOC是判斷電池過(guò)充及過(guò)放等一系列故障的基礎(chǔ)，精確的估算SOC，可防止電池過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)電池的使用壽命，從而提高電池的利用率。

其實(shí)，除了SOC估算，還有SOH(State of Health)，SOP(State of Power)，用戶可通過(guò)車上儀表顯示，看到這些數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)電池的工作、功能狀態(tài)。據(jù)此，在保護(hù)電池的基礎(chǔ)上，將潛力發(fā)揮最大化，大大提升駕乘體驗(yàn)。

對(duì)于續(xù)航來(lái)說(shuō)，SOC的精度很重要

SOC的算法一直是電池管理系統(tǒng)(BMS)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接影響到了，表顯續(xù)航與實(shí)際續(xù)航的差值，如果計(jì)算不夠精確的話，甚至?xí)?dǎo)致電池用盡車輛拋錨的情況出現(xiàn)。

關(guān)于電池狀態(tài)的估算，需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的計(jì)算。即準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對(duì)于相同量的電池，可以有更高的續(xù)航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。

如今，國(guó)內(nèi)電池的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)掌握了精確的核心算法，通過(guò)基于電池參數(shù)的估算方法，有效消除累積誤差的影響，估算更精確。NCM估算(NCM即鋰電池正極材料的縮寫(xiě)，即鎳鈷錳三元材料)精確度在3%，LFP(另一種鋰離子電池的正極材料，稱為鋰鐵磷)在5%左右。從數(shù)據(jù)方面看，國(guó)內(nèi)的電池企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

電池與人員安全的守護(hù)神

BMS還有另一大核心功能，就是為電池組和人員提供安全保障。

眾所周知，電池過(guò)充、過(guò)放會(huì)帶來(lái)局部過(guò)熱，影響電池壽命不說(shuō)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到電池組的安全，進(jìn)而引發(fā)人身安全隱患。這時(shí)，BMS的“充放電管理”模塊就開(kāi)啟了保護(hù)職能，一方面與整車、充電機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，另一方面實(shí)時(shí)提供電池狀態(tài)，便于及時(shí)發(fā)出指令控制，有效防止高充、低放的發(fā)生。

圖中工程師在-30℃的極寒環(huán)境進(jìn)行樣車冬季測(cè)試

在保護(hù)電池的模塊，均衡也是很重要的一環(huán)，是保護(hù)并提升電池壽命的必要手段。另外，電池的保護(hù)還包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)流等的保護(hù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)際參數(shù)高于或低于某約定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)做出判斷，并采取斷開(kāi)、預(yù)充等方式保護(hù)電池安全。

工程師在采集數(shù)據(jù)，觀測(cè)車輛在充電狀態(tài)下的電流、電壓、SOC的變化

在人身安全方面，BMS通過(guò)高壓控制的手段來(lái)保護(hù)。電池高壓可達(dá)300-500V，遠(yuǎn)超人體安全電壓36V，風(fēng)險(xiǎn)隱患極大，必須做好高壓控制，最常見(jiàn)的就是繼電器、高壓互鎖、絕緣防護(hù)。周全的高壓防護(hù)控制，可有效保護(hù)司機(jī)、乘客和維護(hù)人員的人身安全。

如何理解電池的安全等級(jí)

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國(guó)內(nèi)的很多電池企業(yè)采用的是國(guó)際通用的ISO 26262評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。而ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)又根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)程度，劃分由A到D的安全需求等級(jí)(Automotive Safety Integrity Level ，ASIL)，其中D級(jí)為最高等級(jí)，需要最苛刻的安全需求。等級(jí)越高，對(duì)系統(tǒng)的安全性要求越高，為實(shí)現(xiàn)安全付出的代價(jià)越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開(kāi)發(fā)流程越嚴(yán)格，相應(yīng)的開(kāi)發(fā)成本增加、開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，技術(shù)要求越嚴(yán)格。

ASILD等級(jí)，失效率為10^-8/h，意味著1輛車假定每天運(yùn)行4小時(shí)， 需要運(yùn)行7萬(wàn)年才出現(xiàn)1次由BMS導(dǎo)致的功能性故障。而如此低概率的失效率，可媲美飛機(jī)運(yùn)行時(shí)的要求。通常來(lái)說(shuō)，汽車行業(yè)對(duì)零部件的要求是B或C等級(jí)。

目前國(guó)內(nèi)的很多電池企業(yè)早已走出國(guó)門(mén)，為更多國(guó)際品牌提供產(chǎn)品和技術(shù)支持。這說(shuō)明，國(guó)內(nèi)的電池與BMS技術(shù)并不落后于日本和歐美，甚至在一些領(lǐng)域達(dá)到了世界先進(jìn)水平。