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在 2019 年，我國的新能源汽車銷量達到了 120 萬輛，隨著新能源汽車銷量不斷增加，用戶對電動汽車的接受度越來越高。為了保障電動汽車的電池高效、可靠、安全地運行，需要通過電池管理系統(tǒng)（BMS）對動力電池進行實時監(jiān)控、故障診斷、SOC 估算、短路保護等。BMS 在業(yè)內被稱為電動汽車動力電池系統(tǒng)的“大腦”，與動力電池、整車控制系統(tǒng)共同構成了電動汽車的三大核心技術。
目前，BMS 對延長電池續(xù)航里程、縮短充電時間方面會有哪些改善？BMS 在電動汽車安全方面發(fā)揮哪些重要作用？BMS 還需要進行哪些整合和優(yōu)化？
在與非網策劃的《BMS 的新使命》專題中，我們邀請了意法半導體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場及應用部新能源車技術創(chuàng)新中心高級經理姜炯迪先生和市場經理付志凱先生一起參與討論。
意法半導體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場及應用部新能源車技術創(chuàng)新中心高級經理 姜炯迪
作為新能源汽車的核心能量源，動力電池的續(xù)航里程和充電時間一直被用戶關注，續(xù)航里程短、充電時間長一直是電動汽車的痛點，BMS 是否可以對這一問題進行改善？姜炯迪表示，續(xù)航里程主要和電池的容量、能量回收、電機效率以及車重等因素有關。充電時間主要和電池特性、充電樁的電流能力等因素有關。在保證電池安全的前提下，BMS 可以最大限度的使用電池能量以及提高能量回收效率，并最大限度的提高充電電流來提高充電速度。在充放電過程中，BMS 通過實時的對電池外特性參數（如電壓，電流，溫度等）進行監(jiān)控，再采用適當的軟件算法實現對電池的內部狀態(tài)（SoC,SoH）的檢測和控制，然后通過熱管理，電池均衡管理以及充放電管理使電池處于最佳的工作狀態(tài)，不會達到過放或者過充,同時最大限度提高充電電流?！?/p>
意法半導體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場及應用部新能源車技術創(chuàng)新中心市場經理 付志凱
打造完整系統(tǒng)保證電動汽車安全
電動汽車的安全是要保證全生命周期的安全,包括高壓零部件的設計，存儲與運輸和裝配，以及車輛存放，充電，駕駛，事故，檢修維修和保養(yǎng)過程中以及電池回收處理的安全性。當然電池包作為電動車的能量來源，安全性尤為重要，主要包括高壓安全(比如漏電也就是絕緣失效)和熱失控（引起燃燒爆炸）2 種模式。在整車系統(tǒng)中，直流超過 60V 就要考慮高壓安全，電動車的峰值功率要到達 100kW 以上，電池系統(tǒng)的母線電壓目前已達到 400V 左右，將來也可能會升級到 800V 左右，所以高壓安全極為重要；同時，鋰電池只有幾伏的電壓，目前一套電池系統(tǒng)需要 100 個左右的電池串聯(lián)，而且為了增大電池容量，還需要并聯(lián)若干電池，這意味著 BMS 需要管理成百上千的電池，對電池管理的設計極具挑戰(zhàn)。
BMS 要根據實時的電池的外特性參數（如電壓，電流，溫度）以及歷史記錄估算出電池的狀態(tài)，診斷電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)，進行相應的故障處理機制，比如報警，降額功能使用，或切斷電池系統(tǒng)等等。姜炯迪對與非網記者解釋，“ST 有 30 多年的汽車電子開發(fā)經驗，針對 BMS，ST 可以能夠提供完整的系統(tǒng)解決方案，該方案主要由高可靠性系統(tǒng)的基礎電源芯片 L9396、高安全特性的 PowerPC 架構的 MCU(SPC57x/58x)、以及緊急斷開電池系統(tǒng)的 L9678 組成，支持 AUTOSAR，功能安全 ASILD，HSM 以及 FOTA?！?/p>
他還表示，“對于模擬前端芯片，可以通過單一芯片 L9963 簡化設計實現 ASIL D 的要求；具有全溫度范圍內行業(yè)領先的采樣精度；低成本、高抗擾的高速隔離的雙向菊花鏈；每個通道獨立的 ADC 能夠實現真正的電池電壓 0us 同步采樣以及冗余的電壓采樣；支持模組之間跨接 bus-bar 負壓的應用；支持內部均衡同時開啟以提高均衡效率；最大化的簡化外圍電路設計以降低系統(tǒng)成本?！?/p>
應對安全和成本挑戰(zhàn)，加大高附加值軟件投入
安全性和成本是 BMS 面臨兩大挑戰(zhàn)，前面已經對安全性問題做了分析。在成本方面，ST 會持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設計，最大化的集成外圍元器件，支持客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本。
付志凱分析，“與此同時，隨著汽車迭代速度越來越快以及功能越來越多，這就要求 BMS 的開發(fā)周期越來越短以及系統(tǒng)越來越復雜，同時還要滿足 AUTOSAR，功能安全，Cyber security（網絡安全）以及在線實時刷新 FOTA 等等，這樣客戶對芯片廠商的支持力度和響應速度都有很高的要求。ST 提供完整的系統(tǒng)解決方案包括硬件設計以及 BSW 軟件，相當于給客戶提供一個 base 設計，客戶可以根據自己的具體需求在該方案上基礎上做些調整，大大降低客戶的開發(fā)周期，而且客戶可以把精力放在對客戶附加值更高的應用層軟件上來?！?/p>
目前 BMS 主要有主從式、一體式、半集中式。未來在整車架構上面，會簡化部分 BMS 的功能到其他模塊，比如高壓測量、高壓繼電器的控制和診斷以及熱管理，使 BMS 的功能更加集中在單體電芯的測量功能（電壓、電流、溫度等）和保護上面。
合理地電池包熱設計提高電池壽命
除了電動汽車的續(xù)航里程是目前的一大痛點，電池壽命也是電動汽車廠商面臨的重要課題，廠商在通過各種方式延長電池的壽命。從結構上來看，單體電芯是由正極材料，負極材料，電解液，隔膜，電氣元件和結構件組成，其中正負極材料和電解液對電池的性能尤為重要。電池在使用過程中反復充電，由于電池內部正負極材料消耗和副反應不斷發(fā)生使得電池性能衰退，造成電池壽命下降。
在付志凱看來，電池內部是電化學反應，電池在高溫環(huán)境中副反應的發(fā)生速度和概率大大提高，不僅影響壽命，甚至帶來安全問題；合理的電池包的熱設計，控制電池一直工作在適當的溫度，可以提高電池使用壽命。盡量減少電池的充放電倍率，高倍率充放（快充，快放）電會使電池極化，極化的內阻在充放電電流的作用下產生大量的熱，會加劇電池內部副反應。避免深度放電（DoD），深度放電會破壞電極材料的晶體結構，會減低電池壽命。
