一文解構(gòu)電動汽車BMS

據(jù)Marklines統(tǒng)計，2020年全球電動汽車的總銷量為289.24萬輛，同比增長了45%。在電動車快速普及的今天，電池壽命和安全問題仍然是困擾消費(fèi)者和生產(chǎn)廠商的一個難題。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(tǒng)）成為了行業(yè)重點發(fā)展的方向，作為連接車載電池和電動車的重要紐帶，BMS能夠?qū)崟r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還要跟整車系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，解決鋰電池系統(tǒng)中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關(guān)鍵問題。有數(shù)據(jù)顯示，2020年全球BMS產(chǎn)值規(guī)模超過60億美元，預(yù)計2025年將達(dá)到111.7億美元，2017-2025年復(fù)合增長率達(dá)到11.6%。

BMS是一個多元化市場，從產(chǎn)業(yè)鏈來看，目前BMS市場參與者主要分為三類：（1）動力電池企業(yè)主導(dǎo)，大多是“BMS+PACK”模式，掌握動力電池電芯到電池包的整套核心技術(shù)，具有較強(qiáng)的競爭實力。代表企業(yè)有寧德時代、比亞迪、松下等；（2）整車廠主導(dǎo)，整車企業(yè)對電芯的參與較少，一般通過兼并購、戰(zhàn)略合作等方面進(jìn)入。特斯拉、北汽、吉利、大眾等車企均有專門的研發(fā)團(tuán)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(qiáng)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(shè)計，具備技術(shù)積累優(yōu)勢。

對此，英飛凌科技大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部動力系統(tǒng)與新能源業(yè)務(wù)單元市場經(jīng)理張昌明表示，從2018到2020的BMS市場份額分布來看，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(yīng)商決定發(fā)展到今天的電池廠與整車廠自研或定制開發(fā)。2021年的芯片供應(yīng)環(huán)境也影響了主機(jī)廠與電池廠加強(qiáng)對芯片決策的參與度，能夠提供整體解決方案的芯片廠商將會獲得更多的機(jī)會。

BMS芯片解決方案的供應(yīng)商主要是德州儀器、亞德諾半導(dǎo)體、瑞薩電子、英飛凌、恩智浦、意法半導(dǎo)體和安森美半導(dǎo)體等傳統(tǒng)半導(dǎo)體大廠。這些企業(yè)在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中耕耘多年，其產(chǎn)品一直都在跟隨汽車行業(yè)的發(fā)展推出更創(chuàng)新的產(chǎn)品。

在籌備與非網(wǎng)6月專題過程中，筆者向以上幾家芯片廠商發(fā)出邀請，深入交流了電動汽車BMS的發(fā)展現(xiàn)狀，其中存在的困境與挑戰(zhàn)，以及未來的發(fā)展走向。

BMS現(xiàn)狀、困局與未來

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廠致勝的關(guān)鍵點，而電池的續(xù)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(dǎo)體（ADI）中國汽車電子事業(yè)部資深戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟表示，按照新能源汽車對電池管理的需求，BMS系統(tǒng)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，這些功能的實現(xiàn)首先需要BMS芯片對電池電壓，電流，溫度等特性進(jìn)行實時高精度的采集和檢測，進(jìn)而通過BMS系統(tǒng)的軟件與算法得以實現(xiàn)。

• 電池物理參數(shù)監(jiān)測&數(shù)估算

根據(jù)V/I/T測量值，估算內(nèi)阻容量然后估算出SOC和SOH，最終反應(yīng)出剩余可行駛里程數(shù)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。首先這是一個根據(jù)電池組電壓，電流，放電倍率，溫度等因素經(jīng)過算法計算的估算值，要求系統(tǒng)先要采集的足夠準(zhǔn)，足夠快才能保證最后的結(jié)果準(zhǔn)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(tǒng)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增加成本，采樣頻率越快系統(tǒng)負(fù)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權(quán)衡各方面因素。

張昌明也強(qiáng)調(diào)了電壓、電流的檢測對檢測時序的重要性，“我們需要盡量保證這些參數(shù)都是在同一時刻所讀取到的，否則時間間隔過寬就失去了意義。溫度檢測的難點在于溫度網(wǎng)絡(luò)的建立，現(xiàn)有的溫度檢測都是通過多點檢測來創(chuàng)建溫度網(wǎng)絡(luò)，但這個網(wǎng)絡(luò)實際是預(yù)估出來的，并不能完全反映實際的溫度狀況。要更準(zhǔn)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(tǒng)方案的設(shè)計難度。”

儒卓力戰(zhàn)略營銷和傳播總監(jiān)Andreas Mangler表示，除了SOC/SOH參數(shù)監(jiān)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(dāng)前電池技術(shù)水平的不同所在，所有這些參數(shù)都可以通過交流和直流阻抗測量以及合適的電池軟件建模來確定。

恩智浦半導(dǎo)體應(yīng)用方案設(shè)計和新產(chǎn)品驗證經(jīng)理喬旭彤指出，隨著市場越來越成熟，BMS設(shè)計中需要一些新增的參數(shù)檢測項來完善電池管理系統(tǒng)，比如單體的溫升速率、更精確的包內(nèi)壓力檢測等，來滿足對安全和性能日益增多的要求。

SOC：當(dāng)前電池荷電量占當(dāng)前總體可用容量的百分比，表征當(dāng)前剩余電量，反應(yīng)在車輛儀表盤上為剩余里程數(shù)。

SOH：各家定義略有不同，主流是按照當(dāng)前電池包總?cè)萘空夹码姵爻跏既萘康陌俜直龋碚麟姵匕匣潭鹊囊粋€重要參數(shù)。國標(biāo)要求的動力電池退役指標(biāo)，就是按照容量特征來定義的。

BMS除了強(qiáng)化被動監(jiān)控能力以外，加強(qiáng)均衡和熱管理等主動作用于動力電池的能力，是除了加強(qiáng)電芯、模組等自身設(shè)計安全性以外，從本質(zhì)上提高系統(tǒng)安全性的根本所在。

• 均衡管理

在當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀下，要求電池包內(nèi)所有電芯完全一致是幾乎不可能的事情，這就意味著各電芯間會存在著不一致的工作條件（內(nèi)阻/發(fā)熱量/SOC區(qū)間）及不同的老化率，所以需要均衡管理。BMS有被動均衡管理和主動均衡管理兩種方式。

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均衡式管理。被動均衡功能通過模擬前端芯片內(nèi)置的均衡電路實現(xiàn)，相較于主動均衡，被動均衡通過電阻耗散能量實現(xiàn)，功率需求小，系統(tǒng)設(shè)計簡單，具有成本低，性能可靠等優(yōu)點。主動均衡需要更多的器件來實現(xiàn)任意電芯間的能量轉(zhuǎn)移，功率需求大，系統(tǒng)需要矩陣式設(shè)計。由于零件數(shù)量增多，由此引起的系統(tǒng)可靠性也是不容忽視的問題。

陳晟指出，被動均衡方案因其成本上的優(yōu)勢，被新能源汽車廣泛采用。但它并未改善電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時間，它提供了一種成本相當(dāng)?shù)偷碾姵鼐夥椒?，但由于放電電阻的存在，該過程中會浪費(fèi)能量。對于希望系統(tǒng)運(yùn)行時間最大化和充電效率更高的客戶，主動均衡是最佳選擇。在充電和放電期間，主動電池均衡不會浪費(fèi)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，較強(qiáng)的電池單元會給較弱的電池單元補(bǔ)充能量，從而延長電池單元達(dá)到其完全耗盡狀態(tài)的時間。但是隨著未來電池一致性的提高，被動均衡方案的性價比愈發(fā)突出，仍將是市場的主流方案。

對于均衡管理未來的發(fā)展走向，意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心市場經(jīng)理付志凱也認(rèn)為，隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，電池性能和電池環(huán)境一致性越來越好，越來越多的BMS支持休眠均衡，以提高均衡效率，被動均衡將繼續(xù)是未來發(fā)展趨勢。

被動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(dá)到均衡的目的。其電路簡單可靠，成本較低，電池效率也較低；

主動均衡充電時將多余電量轉(zhuǎn)移至高容量電芯，放電時將多余電量轉(zhuǎn)移至低容量電芯?？商岣呤褂眯?，但是成本更高，系統(tǒng)與電路復(fù)雜，可靠性低。

• 熱管理

熱管理功能，使得BMS能夠?qū)﹄姵匕┘又鲃幼饔?。電池溫度過高時，熱管理系統(tǒng)開動冷卻功能，電池溫度過低無法啟動行車時，熱管理系統(tǒng)開動加熱功能。對于主控模塊，熱管理只是一套算法和幾個接觸器控制端口。熱管理技術(shù)含量主要集中在冷卻加熱設(shè)備以及與之匹配的冷卻出現(xiàn)冷凝水、風(fēng)冷解決密封等級等具體問題上。

具備熱管理功能對整個電池系統(tǒng)意義重大，是設(shè)計者能夠阻止熱失控發(fā)生的重要手段，是從設(shè)計上保障動力電池安全和延長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(kuò)散時，BMS需要能夠及時介入并上報危險警報，為乘客的逃生提供充足的時間。“2020年工信部組織制定的GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》作為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)增加了電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時間。” 張昌明補(bǔ)充道。

• BMS未來走勢：無線BMS & 云端BMS

隨著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未來將呈現(xiàn)出怎樣的創(chuàng)新趨勢？

無線BMS

隨著人們對新能源汽車?yán)m(xù)航能力以及電池安全性的重視程度不斷提高，無線BMS成為了技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要方向，取代了電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接，逐步從早期的研發(fā)階段開始步入產(chǎn)業(yè)化。

瑞薩電子Bruce Zhang說道，無線BMS技術(shù)采用無線通訊方案與電池監(jiān)測器協(xié)同工作，無線通訊的功耗低，可拓展性強(qiáng)，減少線纜和連接器，簡化了PACK結(jié)構(gòu)，主從板之前也沒有高壓風(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(gòu)的兩個發(fā)展方向，一個是BMS有線通信架構(gòu)，即BMS每個電芯模組上有一個采樣板，采樣板之間是通過隔離的雙絞線連接，組成一個環(huán)形的有線拓?fù)?。另一個是未來的發(fā)展方向就是無線BMS，每個模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€。

不管采用哪種通信技術(shù)，BMS系統(tǒng)對于信號傳輸的實時性可靠性的要求是一致的。無線通信有更多機(jī)制來確保實現(xiàn)這兩個要求，同時使得電池從生產(chǎn)后到回收前的全生命周期健康管理得以實現(xiàn)。但是由于電池包設(shè)計的復(fù)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(qū)汽車業(yè)務(wù)部技術(shù)支持團(tuán)隊經(jīng)理郭津認(rèn)為，為電池提供通信線束連接以及在維修時對各電池進(jìn)行隔離是非常困難的，并且需要花費(fèi)更多成本。車輛發(fā)生碰撞時可能會引起線束斷裂，并進(jìn)而導(dǎo)致需要更換整個電池包。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通信方式帶來的挑戰(zhàn)，然而，采用無線解決方案的前提是其性能需要與有線解決方案相媲美，其中一項關(guān)鍵指標(biāo)是無線BMS網(wǎng)絡(luò)可用性。

當(dāng)然，無線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，無線BMS的應(yīng)用還處于預(yù)研階段，目前落地還存在很多困難，主要原因包括EMC尚無標(biāo)準(zhǔn)框定、功能安全和成本很難平衡等。

張昌明從價值鏈角度來看，無線BMS還處理初期階段，尚未形成明顯的系統(tǒng)成本優(yōu)勢或者解決有線BMS的痛點問題。目前在研項目基本上都是預(yù)研項目，正在探索無線BMS的設(shè)計難點以及包內(nèi)無線傳輸的通信能力。通過我們的調(diào)查研究，無線BMS的推廣最先應(yīng)該會電池梯次利用、電池模組倉儲管理、儲能系統(tǒng)無線BMS三個維度展開。

云端BMS

隨著云技術(shù)的發(fā)展成熟，電池數(shù)據(jù)（剩余電量、放電速度、環(huán)境和工況等各種數(shù)據(jù)）可以實時傳輸?shù)皆贫?，可以在云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)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(rèn)為BMS要升級形成域或區(qū)級的控制系統(tǒng)，需要更強(qiáng)的MCU、更快速的通訊速度。結(jié)合未來換電方案的推廣，能源供應(yīng)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(nèi)的BMS系統(tǒng)可能受制于能耗，不能無限提升算力。因此，可以將復(fù)雜的計算工作放置于云端處理。電池包運(yùn)營商通過云端來管理、監(jiān)控所有的電池包運(yùn)行狀態(tài)并與車輛互動。

陳晟認(rèn)為，基于云平臺的電芯級別全程無線監(jiān)控，借助無線電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅在汽車制造上實現(xiàn)降低成本，更加靈活的電池布局讓電動車工業(yè)設(shè)計更加靈活，同時能夠在電池生產(chǎn)、倉儲、運(yùn)輸整個流程中全程實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集和基于云平臺的監(jiān)測分析。這些信息可以實時傳遞到云端，汽車廠商可以通過這些數(shù)據(jù)延長電池以及整個電動汽車的生命周期；產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴可以利用這些數(shù)據(jù)評估電池的健康狀態(tài)以及殘值，促進(jìn)電動汽車二手車市場的健康可持續(xù)發(fā)展，讓消費(fèi)者愿意去購買電動汽車；甚至在電池不能繼續(xù)服役于電動汽車時，仍然能根據(jù)實際存在的準(zhǔn)確容量評估有效的服役于儲能等梯次利用場景中。

此外，付志凱認(rèn)為，越來越多的客戶還需要FOTA（無線固件更新）功能，實時更新軟件，即使汽車售出后也可以通過FOTA更新功能。一旦發(fā)現(xiàn)軟件漏洞，F(xiàn)OTA可以立即更新軟件，可以消除或降低汽車廠商的召回成本。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(rèn)為，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(yán)格的環(huán)境可靠性測試，其周期可能長達(dá)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(zhǔn)度、使用壽命等更加嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)。

隨著電動汽車的不斷發(fā)展，BMS技術(shù)也不斷成熟，未來的BMS技術(shù)也將更加智能化和數(shù)據(jù)化，而那些進(jìn)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(xì)的電池數(shù)據(jù)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，作為近年來興起的技術(shù)，BMS的技術(shù)門檻是相當(dāng)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，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。因此，BMS研發(fā)需要大量的時間與資金支持，導(dǎo)致了目前BMS研發(fā)技術(shù)參差不齊。BMS行業(yè)需要規(guī)范自身研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，提升研發(fā)效益。芯片廠商們也要增強(qiáng)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?qū)崿F(xiàn)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車市場，也提供了最大的應(yīng)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，相對來說，國內(nèi)的BMS市場更加成熟。就目前來看，中國在應(yīng)用多樣性、市場容量方面依然是領(lǐng)先的。

張昌明則指出，國內(nèi)BMS市場經(jīng)過這兩年的發(fā)展，已經(jīng)向電池廠或整車廠自主開發(fā)或與BMS解決方案供應(yīng)商合作開發(fā)的形式發(fā)展了。從這一點看，國內(nèi)外市場產(chǎn)業(yè)模式已經(jīng)統(tǒng)一，用戶將對BMS方案提出更多的要求以及方案決定權(quán)。隨著中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的推動，中國的BMS市場發(fā)展可能還會超前國外市場，主要推動力應(yīng)該會來自電池整個產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)作模式。

然而，在BMS核心芯片方面，國內(nèi)依然依賴進(jìn)口。BMS方案中主要的芯片有AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等。目前市面上可以接觸到的AFE內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本都大同小異，最主要的不同點在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構(gòu)。AFE產(chǎn)品的供應(yīng)商主要是國外的企業(yè)，國內(nèi)目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。

MCU方面，目前國內(nèi)有一些MCU廠商在積極布局車規(guī)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(yīng)商還是TI、ADI、瑞薩電子等外企，國內(nèi)可以提供車規(guī)級ADC的企業(yè)目前還幾乎沒有；在數(shù)字隔離方面，主要用在高低壓之間的數(shù)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(yīng)商為主。

Bruce Zhang表示，中國本土品牌和國際大廠的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(fèi)類領(lǐng)域，如對可靠性，功能安全要求比較高汽車電子領(lǐng)域，本土品牌量產(chǎn)的基本上很少，車廠試錯的意愿還不是很強(qiáng)，還處于攻克關(guān)鍵技術(shù)壁壘階段。

寫在最后

上述不難看到，BMS對于電動汽車的重要性和必要性。電池風(fēng)險可以通過BMS實時監(jiān)測并分析電池運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)行提前預(yù)警，從而避免不必要的人員傷亡。同時，還能最大限度地延長電池的整體使用壽命，降低擁有成本。

但車用動力電池安全性是一個很復(fù)雜的課題，仍存在很多待解決的難題和挑戰(zhàn)，整個行業(yè)還在全力研究和探索其背后的機(jī)理及解決辦法。BMS作為其中的重要部分，深入其中，在機(jī)遇和趨勢下摸索向前。

致謝

在此向參與本次采訪的企業(yè)和嘉賓表示感謝（排名順序無先后）：

ADI中國汽車電子事業(yè)部 資深戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理陳晟

英飛凌科技大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部動力系統(tǒng)與新能源業(yè)務(wù)單元市場經(jīng)理張昌明

恩智浦半導(dǎo)體應(yīng)用方案設(shè)計和新產(chǎn)品驗證經(jīng)理喬旭彤

意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場及應(yīng)用部 新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心市場經(jīng)理付志凱

德州儀器(TI)中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)部技術(shù)支持團(tuán)隊經(jīng)理郭津

瑞薩電子Bruce Zhang

儒卓力戰(zhàn)略營銷和傳播總監(jiān)Andreas Mangler

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