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（BMS）對動力電池進行實時監控、故障診斷、SOC 估算、短路保護等。BMS 在業內被稱為電動汽車動力電池系統的“大腦”，與動力電池、整車控制系統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揮哪些重要作用？BMS 還需要進行哪些整合和優化？
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汽車電子市場及應用部新能源車技術創新中心高級經理姜炯迪先生和付志凱先生一起參與討論。
作為新能源汽車的核心能量源，動力電池的續航里程和充電時間一直被用戶關注，續航里程短、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，並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）進行監控，再採用適當的軟件算法實現對電池的內部狀態（SoC,SoH）的檢測和控制，然後通過熱管理，電池均衡管理以及充放電管理使電池處於最佳的工作狀態，不會達到過放或者過充,同時最大限度提高充電電流。”
意法半導體大中華暨南亞區汽車電子市場及應用部新能源車技術創新中心市場經理 付志凱
打造完整系統保證電動汽車安全
電動汽車的安全是要保證全生命週期的安全,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，目前一套電池系統需要 100 個左右的電池串聯，而且為了增大電池容量，還需要並聯若干電池，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。
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，診斷電池管理系統的狀態，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經驗，針對 BMS，ST 可以能夠提供完整的系統解決方案，該方案主要由高可靠性系統的基礎電源芯片L9396、高安全特性的 PowerPC 架構的 MCU(SPC57x/58x)、以及緊急斷開電池系統的L9678組成，支持 AUTOSAR，功能安全 ASILD，HSM 以及 FOTA。”
他還表示，“對於模擬前端芯片，可以通過單一芯片 L9963 簡化設計實現 ASIL D 的要求；具有全溫度範圍內行業領先的採樣精度；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 同步採樣以及冗餘的電壓採樣；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成本。”
應對安全和成本挑戰，加大高附加值軟件投入
安全性和成本是 BMS 面臨兩大挑戰，前面已經對安全性問題做了分析。在成本方面，ST 會持續優化系統設計，最大化的集成外圍元器件，支持客戶優化系統成本。
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 的開發週期越來越短以及系統越來越複雜，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 提供完整的系統解決方案包括硬件設計以及 BSW 軟件，相當於給客戶提供一個 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週期，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。”
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覆充電，由於電池內部正負極材料消耗和副反應不斷髮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，電池在高溫環境中副反應的發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。儘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。
閱讀更多 與非網 的文章
