電池管理系統(tǒng)

【搜狐汽車E電園】（文：高超）大家好！新的一期搜狐汽車新能源大講堂又和大家見面了。眾所周知，純電動汽車的動力輸出依靠電池，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現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。如果說，把一臺電動車比作人體的話，那么電池系統(tǒng)就是他的心臟，而BMS電池管理系統(tǒng)就是支配其身體運作的大腦。今天的搜狐汽車新能源大講堂，我們就來認(rèn)識一下電動汽車的智慧大腦——BMS電池管理系統(tǒng)。作為國內(nèi)電池企業(yè)的龍頭，寧德時代在技術(shù)方面可以說是比較權(quán)威和令人信服的，本篇文章當(dāng)中的數(shù)據(jù)和圖表等與寧德時代合作完成。

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)散熱不均或過度充放電等現(xiàn)象。時間一長，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)重過充電狀態(tài)下還存在爆炸的危險，造成電池組損壞的同時還對使用者的人生安全造成威脅。因此，必須為電動汽車上的動力電池組配備一套具有針對性的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS），從而對電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報，進(jìn)而提高整個動力電池組的工作效率和使用壽命。

BMS的主要作用是什么？

一臺電動車有上百塊電芯，BMS是如何管理的？如果我們見到過，電池包的剖析圖我們會看到內(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)——對電池的檢測和保證電池安全。

其中電池檢測實現(xiàn)相對簡單一些，主要是通過傳感器收集電池在使用過程中的參數(shù)信息比如：溫度、每一個電池單體的電壓、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，可以說如果沒有這些電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為支撐，電池的系統(tǒng)管理就無從談起。

如果我們把對電池的檢測流程，看成對電池“體檢”的話，那么這種“體檢”是在線的、持續(xù)的、不間斷的。過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，可及時查詢對應(yīng)電池狀況，并挑選出有問題的電池，從而保持整組電池運行的可靠性和高效性。當(dāng)電池的“體檢”結(jié)束之后，會進(jìn)入分析、診斷、計算的階段，之后生成“體檢報告”，這個過程可以理解為電池的狀態(tài)評估。

什么是SOC？

如果你開過電動車，那么肯定會在儀表盤上見到SOC的標(biāo)識，這又是什么意思呢？SOC即State of Charge，是電池組的荷電狀態(tài)簡稱，我們更習(xí)慣叫它電池剩余電量。SOC是判斷電池過充及過放等一系列故障的基礎(chǔ)，精確的估算SOC，可防止電池過充和過放，延長電池的使用壽命，從而提高電池的利用率。

其實，除了SOC估算，還有SOH（State of Health）,SOP（State of Power），用戶可通過車上儀表顯示，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。

對于續(xù)航來說，SOC的精度很重要

SOC的算法一直是電池管理系統(tǒng)（BMS）開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它計算的準(zhǔn)確與否直接影響到了，表顯續(xù)航與實際續(xù)航的差值，如果計算不夠精確的話，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)過一系列復(fù)雜的計算。即準(zhǔn)確估計電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預(yù)報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對于相同量的電池，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，像寧德時代這樣的國內(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，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，國內(nèi)的電池企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到國際領(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，電池過充、過放會帶來局部過熱，影響電池壽命不說，嚴(yán)重時會威脅到電池組的安全，進(jìn)而引發(fā)人身安全隱患。這時，BMS的“充放電管理”模塊就開啟了保護(hù)職能，一方面與整車、充電機實現(xiàn)通訊，另一方面實時提供電池狀態(tài)，便于及時發(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)還包括過壓、欠壓、過溫、過流等的保護(hù)。簡單來說，當(dāng)實際參數(shù)高于或低于某約定值時，系統(tǒng)將自動做出判斷，并采取斷開、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通過高壓控制的手段來保護(hù)。電池高壓可達(dá)300-500V，遠(yuǎn)超人體安全電壓36V，風(fēng)險隱患極大，必須做好高壓控制，最常見的就是繼電器、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、乘客和維護(hù)人員的人身安全。

如何理解電池的安全等級

我們從寧德時代技術(shù)人員那里了解到，國內(nèi)的很多電池企業(yè)采用的是國際通用的ISO 26262評估標(biāo)準(zhǔn)。而ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)又根據(jù)安全風(fēng)險程度，劃分由A到D的安全需求等級（Automotive Safety Integrity Level ，ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。等級越高，對系統(tǒng)的安全性要求越高，為實現(xiàn)安全付出的代價越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開發(fā)流程越嚴(yán)格，相應(yīng)的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長，技術(shù)要求越嚴(yán)格。

ASILD等級，失效率為10^-8/h，意味著1輛車假定每天運行4小時, 需要運行7萬年才出現(xiàn)1次由BMS導(dǎo)致的功能性故障。而如此低概率的失效率，可媲美飛機運行時的要求。通常來說，汽車行業(yè)對零部件的要求是B或C等級。

目前國內(nèi)的很多電池企業(yè)早已走出國門，為更多國際品牌提供產(chǎn)品和技術(shù)支持。例如寧德時代已先后為寶馬、大眾、標(biāo)致雪鐵龍及長城等多家國內(nèi)外客戶，提供或合作開發(fā)了滿足功能安全要求的BMS產(chǎn)品，獲得了客戶及第三方評審機構(gòu)的一致認(rèn)可。這說明，國內(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。

推薦幾款SOC表顯續(xù)航里程與實測續(xù)航比較接近的電動車

我們的推薦標(biāo)準(zhǔn)是依托充滿電后的表現(xiàn)續(xù)航里程作為基準(zhǔn)，與實際續(xù)航里程之間的差值大小作為評判標(biāo)準(zhǔn)?？纯茨囊豢钴囆偷恼`差值最小。

編輯總結(jié)：

好了！在今天的新能源大講堂當(dāng)中我們一起了解了BMS電池管理系統(tǒng)和SCO的相關(guān)知識，還為大家推薦了幾款SOC續(xù)航較為準(zhǔn)確的車型。我想說的是，一款電動車的優(yōu)與劣除了機械部件的性能以外，BMS電池管理系統(tǒng)在其中承擔(dān)著重要的責(zé)任。BMS系統(tǒng)的好壞甚至?xí)姵叵到y(tǒng)與人員的安全造成影響。若搭載不成熟的BMS，無法實時精準(zhǔn)地監(jiān)控電池充放電狀況，極易造成電池芯局部功耗過大，產(chǎn)生局部熱量，且信息無法傳遞至駕駛員，極易導(dǎo)致電池自燃發(fā)生。安裝優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預(yù)防電池組自燃，如遇緊急情況提前對司機作出突發(fā)事件預(yù)警，為保障安全贏得時間。（特別鳴謝：技術(shù)支持及部分圖片來自合作伙伴寧德時代）