據Marklines統計,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者和生產廠商的一個難題。如何對電池進行科學有效的管理,成為了眾多新能源電池廠商技術攻堅的突破口。

 

行業背景和趨勢下,BMS(電池管理系統)成為了行業重點發展的方向,作為連接車載電池和電動車的重要紐帶,BMS能夠實時估測電池的荷電狀態,檢測電池使用狀態,并對電池該如何發揮作用進行直接管控。除此之外,BMS還要跟整車系統進行信息交換,解決鋰電池系統中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關鍵問題。有數據顯示,2020年全球BMS產值規模超過60億美元,預計2025年將達到111.7億美元,2017-2025年復合增長率達到11.6%。

 

 

BMS是一個多元化市場,從產業鏈來看,目前BMS市場參與者主要分為三類:(1)動力電池企業主導,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,具有較強的競爭實力。代表企業有寧德時代、比亞迪、松下等;(2)整車廠主導,整車企業對電芯的參與較少,一般通過兼并購、戰略合作等方面進入。特斯拉、北汽、吉利、大眾等車企均有專門的研發團隊進行BMS研發,除了核心技術的掌握外,在成本和效率方面較其他企業有較強的競爭力;(3)第三方BMS企業,相關軟硬件都由企業自主進行研發設計,具備技術積累優勢。

 

對此,英飛凌科技大中華區汽車電子事業部動力系統與新能源業務單元市場經理張昌明表示,從2018到2020的BMS市場份額分布來看,BMS產業鏈上的decision maker已經發生了變化,從曾經BMS方案供應商決定發展到今天的電池廠與整車廠自研或定制開發。2021年的芯片供應環境也影響了主機廠與電池廠加強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會。

 

BMS芯片解決方案的供應商主要是德州儀器、亞德諾半導體、瑞薩電子、英飛凌、恩智浦、意法半導體和安森美半導體等傳統半導體大廠。這些企業在汽車產業鏈中耕耘多年,其產品一直都在跟隨汽車行業的發展推出更創新的產品。

 

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

 

BMS現狀、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鍵點,而電池的續航里程、快充、成本和安全檢測等均與BMS的優化息息相關。

 

亞德諾半導體(ADI)中國汽車電子事業部資深戰略與業務發展經理陳晟表示,按照新能源汽車對電池管理的需求,BMS系統具備的功能包括SOC/SOH估算、故障診斷、均衡控制、熱管理和充電管理等,這些功能的實現首先需要BMS芯片對電池電壓,電流,溫度等特性進行實時高精度的采集和檢測,進而通過BMS系統的軟件與算法得以實現。

 

  • 電池物理參數監測&數估算

根據V/I/T測量值,估算內阻容量然后估算出SOC和SOH,最終反應出剩余可行駛里程數和電池包老化程度。

 

然而,BMS的剩余容量估算一直是業界難點。首先這是一個根據電池組電壓,電流,放電倍率,溫度等因素經過算法計算的估算值,要求系統先要采集的足夠準,足夠快才能保證最后的結果準確。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,還有從系統整體考量采樣頻率的大小諸多因素有關。選用高處理速度高精度的芯片勢必會增加成本,采樣頻率越快系統負荷也越大,所以在目前技術條件下,業界都是參考具體項目來權衡各方面因素。

 

張昌明也強調了電壓、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絡的建立,現有的溫度檢測都是通過多點檢測來創建溫度網絡,但這個網絡實際是預估出來的,并不能完全反映實際的溫度狀況。要更準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系統方案的設計難度。”

 

儒卓力戰略營銷和傳播總監Andreas Mangler表示,除了SOC/SOH參數監控外,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與當前電池技術水平的不同所在,所有這些參數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。

 

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

 

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

SOH:各家定義略有不同,主流是按照當前電池包總容量占新電池初始容量的百分比,表征電池包老化程度的一個重要參數。國標要求的動力電池退役指標,就是按照容量特征來定義的。

 

BMS除了強化被動監控能力以外,加強均衡和熱管理等主動作用于動力電池的能力,是除了加強電芯、模組等自身設計安全性以外,從本質上提高系統安全性的根本所在。

 

  • 均衡管理

在當前技術現狀下,要求電池包內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(內阻/發熱量/SOC區間)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置的均衡電路實現,相較于主動均衡,被動均衡通過電阻耗散能量實現,功率需求小,系統設計簡單,具有成本低,性能可靠等優點。主動均衡需要更多的器件來實現任意電芯間的能量轉移,功率需求大,系統需要矩陣式設計。由于零件數量增多,由此引起的系統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勢,被新能源汽車廣泛采用。但它并未改善電池供電系統的運行時間,它提供了一種成本相當低的電池均衡方法,但由于放電電阻的存在,該過程中會浪費能量。對于希望系統運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,較強的電池單元會給較弱的電池單元補充能量,從而延長電池單元達到其完全耗盡狀態的時間。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突出,仍將是市場的主流方案。

 

對于均衡管理未來的發展走向,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也認為,隨著電池技術的進步,電池性能和電池環境一致性越來越好,越來越多的BMS支持休眠均衡,以提高均衡效率,被動均衡將繼續是未來發展趨勢。

 

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行釋放,從而達到均衡的目的。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移至高容量電芯,放電時將多余電量轉移至低容量電芯?商岣呤褂眯,但是成本更高,系統與電路復雜,可靠性低。

 

  • 熱管理

熱管理功能,使得BMS能夠對電池包施加主動作用。電池溫度過高時,熱管理系統開動冷卻功能,電池溫度過低無法啟動行車時,熱管理系統開動加熱功能。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。熱管理技術含量主要集中在冷卻加熱設備以及與之匹配的冷卻出現冷凝水、風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意義重大,是設計者能夠阻止熱失控發生的重要手段,是從設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,在電池發生熱失控和熱擴散時,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》作為強制性國家標準發布,標準增加了電池系統熱擴散試驗,要求電池單體發生熱失控后,電池系統在5分鐘內不起火不爆炸,為乘員預留安全逃生時間。” 張昌明補充道。

 

 

  • BMS未來走勢:無線BMS & 云端BMS

隨著BMS產業的不斷發展,以及5G、AI、云計算等技術的興起和成熟,BMS未來將呈現出怎樣的創新趨勢?

 

無線BMS

隨著人們對新能源汽車續航能力以及電池安全性的重視程度不斷提高,無線BMS成為了技術研發和應用的重要方向,取代了電池組和電池管理系統之間的傳統有線連接,逐步從早期的研發階段開始步入產業化。

 

瑞薩電子Bruce Zhang說道,無線BMS技術采用無線通訊方案與電池監測器協同工作,無線通訊的功耗低,可拓展性強,減少線纜和連接器,簡化了PACK結構,主從板之前也沒有高壓風險,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產品架構的兩個發展方向,一個是BMS有線通信架構,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,組成一個環形的有線拓撲。另一個是未來的發展方向就是無線BMS,每個模塊之間不再有傳輸的通信線。

 

不管采用哪種通信技術,BMS系統對于信號傳輸的實時性可靠性的要求是一致的。無線通信有更多機制來確保實現這兩個要求,同時使得電池從生產后到回收前的全生命周期健康管理得以實現。但是由于電池包設計的復雜性,有大量測試和驗證工作需要在量產前完成。

 

德州儀器(TI)中國區汽車業務部技術支持團隊經理郭津認為,為電池提供通信線束連接以及在維修時對各電池進行隔離是非常困難的,并且需要花費更多成本。車輛發生碰撞時可能會引起線束斷裂,并進而導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,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,其中一項關鍵指標是無線BMS網絡可用性。

 

當然,無線BMS成為趨勢背后,業界也不乏一些質疑的聲音。喬旭彤表示,無線BMS的應用還處于預研階段,目前落地還存在很多困難,主要原因包括EMC尚無標準框定、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成本優勢或者解決有線BMS的痛點問題。目前在研項目基本上都是預研項目,正在探索無線BMS的設計難點以及包內無線傳輸的通信能力。通過我們的調查研究,無線BMS的推廣最先應該會電池梯次利用、電池模組倉儲管理、儲能系統無線BMS三個維度展開。

 

云端BMS

隨著云技術的發展成熟,電池數據(剩余電量、放電速度、環境和工況等各種數據)可以實時傳輸到云端,可以在云端進行大數據分析和處理,從而更好地估算電池的剩余電量和健康狀態。

 

基于此需求,張昌明認為BMS要升級形成域或區級的控制系統,需要更強的MCU、更快速的通訊速度。結合未來換電方案的推廣,能源供應體系需要集中式的管理儲能資產,從而發展出云端BMS的需求。電池包內的BMS系統可能受制于能耗,不能無限提升算力。因此,可以將復雜的計算工作放置于云端處理。電池包運營商通過云端來管理、監控所有的電池包運行狀態并與車輛互動。

 

陳晟認為,基于云平臺的電芯級別全程無線監控,借助無線電池管理系統的優勢不僅在汽車制造上實現降低成本,更加靈活的電池布局讓電動車工業設計更加靈活,同時能夠在電池生產、倉儲、運輸整個流程中全程實現數據實時采集和基于云平臺的監測分析。這些信息可以實時傳遞到云端,汽車廠商可以通過這些數據延長電池以及整個電動汽車的生命周期;產業鏈合作伙伴可以利用這些數據評估電池的健康狀態以及殘值,促進電動汽車二手車市場的健康可持續發展,讓消費者愿意去購買電動汽車;甚至在電池不能繼續服役于電動汽車時,仍然能根據實際存在的準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。一旦發現軟件漏洞,FOTA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功能和網絡加密。

 

功能安全領域,Bruce Zhang認為,未來也將是BMS發展的重點,一款新的BMS在投放市場前需要經過嚴格的環境可靠性測試,其周期可能長達數年,在一些簡單的實時監測功能上需要添加產品功能的可靠性、穩定性、精準度、使用壽命等更加嚴格的測試標準。

 

隨著電動汽車的不斷發展,BMS技術也不斷成熟,未來的BMS技術也將更加智能化和數據化,而那些進行更多的BMS試驗開發、制造以及梯次利用等環節實驗,并且有詳細的電池數據的BMS企業將更具競爭力。

 

國產BMS產業進展

對于BMS行業發展脈絡,Bruce Zhang表示,作為近年來興起的技術,BMS的技術門檻是相當高的。沒有長期研發的積累和大量數據的沉淀,難以開發出優質的產品,對于大多數芯片廠商來說,BMS的發展都需要經過大量實踐。因此,BMS研發需要大量的時間與資金支持,導致了目前BMS研發技術參差不齊。BMS行業需要規范自身研發標準,提升研發效益。芯片廠商們也要增強核心零件自我生產能力,與其他企業合作研發,爭取能夠實現全新的BMS行業聯盟。

 

喬旭彤表示,中國是世界最大的電動車市場,也提供了最大的應用環境,能夠更好地促進BMS的技術迭代與新的需求的提出,相對來說,國內的BMS市場更加成熟。就目前來看,中國在應用多樣性、市場容量方面依然是領先的。

 

張昌明則指出,國內BMS市場經過這兩年的發展,已經向電池廠或整車廠自主開發或與BMS解決方案供應商合作開發的形式發展了。從這一點看,國內外市場產業模式已經統一,用戶將對BMS方案提出更多的要求以及方案決定權。隨著中國新能源汽車產業規劃的推動,中國的BMS市場發展可能還會超前國外市場,主要推動力應該會來自電池整個產業鏈的運作模式。

 

然而,在BMS核心芯片方面,國內依然依賴進口。BMS方案中主要的芯片有AFE、MCU、ADC、數字隔離器等。目前市面上可以接觸到的AFE內部結構基本都大同小異,最主要的不同點在于采樣通道數、內部ADC的數量、類型和架構。AFE產品的供應商主要是國外的企業,國內目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。

 

MCU方面,目前國內有一些MCU廠商在積極布局車規級產品,比如兆易創新、芯旺微、比亞迪、杰發科等;ADC方面,目前主要的供應商還是TI、ADI、瑞薩電子等外企,國內可以提供車規級ADC的企業目前還幾乎沒有;在數字隔離方面,主要用在高低壓之間的數字通信,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,消費類領域,如對可靠性,功能安全要求比較高汽車電子領域,本土品牌量產的基本上很少,車廠試錯的意愿還不是很強,還處于攻克關鍵技術壁壘階段。

 

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。電池風險可以通過BMS實時監測并分析電池運行的關鍵數據的變化,進行提前預警,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雜的課題,仍存在很多待解決的難題和挑戰,整個行業還在全力研究和探索其背后的機理及解決辦法。BMS作為其中的重要部分,深入其中,在機遇和趨勢下摸索向前。

 

致謝

在此向參與本次采訪的企業和嘉賓表示感謝(排名順序無先后):

ADI中國汽車電子事業部 資深戰略與業務發展經理陳晟

英飛凌科技大中華區汽車電子事業部動力系統與新能源業務單元市場經理張昌明

恩智浦半導體應用方案設計和新產品驗證經理喬旭彤

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

德州儀器(TI)中國區汽車業務部技術支持團隊經理郭津

瑞薩電子Bruce Zhang

儒卓力戰略營銷和傳播總監Andreas Mangler