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        技術頻道

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        解密CATL和比亞迪的電池管理系統(BMS)

        時間:2022-07-06 13:32:58來源:鉅大LARGE

        導語:?假如把電芯比作人體的心臟,模組和電池包比作強健的體魄,那么整個動力鋰電池系統要平穩運行,還要一個支配身體的智慧大腦,那就是BMS。

          電池管理系統(BatteryManagementSystem,簡稱BMS)是連接電池和電動汽車的重要紐帶,其精準的控制和管理為電池的完美應用保駕護航。

          "龍生九子,各有不同。"即使同一批次生產的兩個單體電芯,因生產工藝誤差、使用環境差異等,其性能也不可能完全一致;在使用過程中這種不一致性會逐漸擴大,可能會出現過充、過放和局部過熱的危險,嚴重時影響到電池組的使用壽命和安全。

          這時就要BMS大顯身手。

          那么問題來了,BMS重要做什么?

          電池管理系統BMS的功能用途

          1、準確估測動力鋰電池組的荷電狀態

          準確估測動力鋰電池組的荷電狀態(StateofCharge,即SOC),即電池剩余電量,保證SOC維持在合理的范圍內,防止由于過充電或過放電對電池的損傷,從而隨時預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。

          2、動態監測動力鋰電池組的工作狀態

          在電池充放電過程中,實時采集動力鋰電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓,防止電池發生過充電或過放電現象。

          同時能夠及時給出電池狀況,選擇出有問題的電池,保持整組電池運行的可靠性和高效性,使剩余電量估計模型的實現成為可能。除此以外,還要建立每塊電池的使用歷史檔案,為進一步優化和開發新型電、充電器、電動機等供應資料,為離線分析系統故障供應依據。

          3、單體電池間的均衡

          即為單體電池均衡充電,使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。均衡技術是目前世界正在致力研究和開發的一項電池能量管理系統的關鍵技術。

          有關BMS的功能,行業內有關其分類方式不盡相同。不過從用戶的角度來理解,可大致劃分為兩大功能——"電池體檢"和"安全衛士"。

          即時體檢

          精準掌握電池狀態

          即時"體檢",指的是電池數據采集和狀態評估。

          數據采集,可簡單理解為給電池做例行的"體檢";在充放電過程中,實時采集電池組中每塊電池的端電壓、溫度、充放電電流及總電壓,防止電池發生過充電或過放電現象。

          這種"體檢"是在線的、持續的、不間斷的。過程中當發現數據異常時,可及時查詢對應電池狀況,并選擇出有問題的電池,從而保持整組電池運行的可靠性和高效性。

          CATL掌握業內領先的高精度測量技術,總流總壓精度可達千分之五;采樣數據精度很高,通過實時了解電池真實工作狀態,及時做出判斷和修正。

          "體檢"結束之后,會進入分析、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評估。

          這時,我們要了解一個行業的常用術語——SOC。

          何為SOC?

          電池組的荷電狀態(StateofCharge,即SOC),即電池剩余電量。SOC是判斷電池過充及過放等一系列故障的基礎,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(StateofHealth),SOP(StateofPower),用戶可通過車上儀表顯示看到這些數據,從而確認電池的工作、功能狀態。據此,在保護電池的基礎上,將潛力發揮最大化,大大提升駕乘體驗。

          因此SOC等數據估算的準確和否,就顯得特別重要。估算不準帶來的后果,有可能是汽車拋錨、和預期的行駛里程數不符等。

          車輛正在進行快充實驗時,SOC顯示52%

          舉個例子,滿電情況下續航里程為400公里的車輛在道路行駛。若估算準確,當SOC顯示為10%時,還可能行駛的里程是40公里;若估算不準,SOC達到15%,則用戶以為的里程為60公里,事實上可能在行駛40公里之后,就已經沒電了。很顯然,有關用戶來說,這樣的情況很糟糕。

          有關電池狀態的估算,要經過一系列復雜的計算。CATL掌握了精確的核心算法,通過基于電池參數的估算方法,有效消除累積誤差的影響,估算更精確。NCM估算精確度在3%,LFP在5%左右。

          "安全衛士"

          保護電池及人身安全

          BMS還有另一大核心功能,就是"安全衛士";可簡單理解為保護的用途,重要體現在對電池及高壓安全的防護上。

          首先,由于電池內部結構的復雜性,電池濫用或損壞會影響到電池壽命及安全性,嚴重時會造成電池熱失控,從而引發安全事故。BMS對電池的保護功能表現在:一方面,對電池狀態進行實時監控;另一方面,和整車及充電機等外部系統進行通訊,對充放電過程進行及時有效的控制,從而防止危險事故的發生。

          目前,CATL已實現了BMS對電池充電、放電及均衡過程全方位的保護,做到了對故障的提前預防、發生檢測,過程控制及影響降級。

          工程師在-30℃的黑河進行樣車冬季測試

          其次,電池系統電壓可達300-500V,遠超人體安全電壓,風險隱患極大,高壓安全防護為此保駕護航。BMS通過對絕緣電阻、高壓互鎖及繼電器狀態的檢測,對可能發生的高壓泄漏風險進行檢測及控制,從而保護駕駛員、乘客及維修人員的人身安全。

          工程師在整車廠進行高壓測試

          說到安全,就不得不提功能安全了。功能安全是BMS安全開發的核心,目的是預防、檢測及控制BMS及其他E/E部件故障所造成的動力鋰電池系統危險。CATL始終以做前列安全電池為發展目標,是業內較早進入功能安全開發領域,也是第一個開發具有ASILD功能安全目標的BMS產品的動力鋰電池公司。

          何為ASILD等級?

          國際安全標準ISO26262根據安全風險程度,將安全需求劃分為A到D的安全等級(AutomotiveSafetyIntegrityLevel,ASIL),其中D級為最高等級,是最苛刻的安全需求,意味著功能安全開發流程及技術要求更嚴格、相應的開發成本新增、開發周期延長。

          不同安全等級產品的隨機硬件失效率要求

          ASILD等級要求產品安全目標失效率小于10^-8/h,意味著1輛車假定每天運行4小時,要運行7萬年才出現1次違反安全目標的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飛機的安全設計要求。

          CATL已先后為寶馬、大眾、標致雪鐵龍及長城等多家國內外客戶,供應或合作開發了滿足功能安全要求的BMS產品,獲得了客戶及第三方評審機構的一致認可。在積累了豐富項目相關相關經驗的同時,CATL也逐漸形成了BMS產品功能安全的巨大優勢。

          其實,BMS的功能遠不止這些,可謂"小身材,大智慧"。電池管理系統協同電池包,為整車供應強大的動力鋰電池系統。未來,CATL也將攜手同行,踏上更高更遠的征程!

          解密比亞迪電池管理系統

          首先我們來談談唐和秦的電池,型號應該是相同的,只是秦的電池組電芯數量比較少,容量13度,唐的比較多,18度。單個的電芯都是比亞迪自己制造的磷酸鐵鋰電池,額定電壓3.2V,容量26AH。為何不是最近比較火的三元鋰電池呢?原因如下圖:

          磷酸鐵鋰電池擁有更好的壽命、安全性,更適合插電式混動車的用車情況。

          電池單體大概是這個樣子的,但是這個應該是大巴上的,因為電儲量高達120AH,咱們的只有26AH,不過大致上是相同的,都是長方體。

          唐的電池組位于底盤中部,體積和重量都比較大。放在底盤的好處是降低了整車重心,同時不影響后備箱空間。缺點嘛,對放水和防磕碰要求比較高,日常使用要注意這塊不要浸水,不要磕碰。

          這是秦的電池組,位于后座以后,后備箱之前。優點:放水防磕碰性能都很好,缺點:重心比較高,影響后備箱空間,和唐正好是相對的~

          連接方式為串聯(全部電芯串聯),串聯的電池如下圖,形象一點說,就是類似于我們以前用過的手電筒,幾個電池頭尾相接。

          這種連接方式,每個電芯放電的時候使用同樣的電流對外放電,充電的時候同樣的電流充電,在不借助均衡系統的情況下,無法對單個電芯進行充放電。而且,當一個電芯充滿時,就要停止對整個電池組的充電,不然這個電芯會過充損壞,而一個電芯放空的時候,整個電池組就要停止放電,不然這個電芯會過放損壞。

          還記得手電筒有什么要求么?對了,新舊電池不能混用,也就是說有電和沒電的電池不能混用。回到唐和秦的電池組,上邊是個示意圖,選取了幾個電芯。正常情況下,他們的存電量應該是完全相同的,一起充滿,一起放空,假如一直這樣循環,那么就不會出現文章之初的各種問題了。

          事實上,電池組使用一段時間以后,就會出現各個電芯存電量出現差異的情況,出現差異的原因有很多,比如電池本身容量就不一致,或者內阻不一致,工作溫度不一致等,都會導致放電容量出現差異。當各個電芯存電量不一致,就會出現下圖的情況:

          表面上看,只是有一個電芯損失了一點電量,一共有那么多電芯,應該不會有什么影響吧?我們繼續往下看,這個電池組放電的時候,會發生什么:

          整個電池組釋放了80%的電量,而這時候,原本不滿的電池已經空了,這時候電池組就要停止放電。假如這個電池組的存電量是10度,那么在充滿的情況下,這個不均衡的電池組放電80%也就是8度就已經無法放電了,表面上看只有5%的電量缺失,卻導致20%的容量無法使用。這還是只有4個電芯比較的情況下,假如是200多個,可想而知影響有多大。

          那么一旦出現了不均衡,怎么辦呢?這就要用到電池管理系統的均衡模塊。唐和秦的均衡模塊采用的是被動均衡方式,也就是說,通過旁路電阻給電壓較高的電芯放電,使其達到和其他電芯相同的電壓。也就是這樣:

          每個電芯都有一個由電池管理系統單獨控制的電阻,當要的時候,接通這個電阻的電路,給電芯放電。通過經過一定的時間,這個不均衡的電池組就變成了這樣:

          電芯電容量一致了,再充電就可以都充滿,放電都放空,一切恢復正常,容量回來了,續航也回來了!聽起來很美,是吧?那為何很多車就是達不到這個效果呢?

          首先,這個放電的過程非常緩慢!充電過程的話電流可以達到10A以上(10000ma),而這個放電呢?據了解,這個放電電阻允許的最大電流是30ma~在均衡系統一直處于最佳均衡狀態的情況下,均衡一度電的差異,也要100小時左右!

          其次,均衡系統不是一直工作在最佳狀態下的。要有一個好的工作狀態,系統要了解哪個電芯是要被放電的,要放多少電。而這個過程不是任意電量都可以完成的。

          這是一個磷酸鐵鋰電池放電的曲線圖。可以看到,在15%電量以上的時候,電壓的差異是非常小的。這時候要找到哪個電芯要放電,放多少,是非常困難甚至不可能的。所以,要讓均衡系統處于高效工作狀態,就要實時的把電池用到15%以下。

          然后充滿電,讓車進入均衡狀態,這時候的均衡效率是最高的,除非用車,不然建議等到均衡結束(也就是說儀表盤完全熄滅)。在電池組不均衡的情況下,一次均衡大概要20小時左右,大家可以按照自己的電池組缺少電量來計算要多少個循環。

          這也就引申出了另一個問題:在均衡結束以后,略微用一點電,然后充滿,車輛會再次進入均衡狀態,這個時間,應不應該計入有效均衡?根據樓主的相關相關經驗,這個均衡幾乎是無效的。

          因為唐和秦的電池組不均衡,絕大多數是某一兩個電芯電壓過低,要對另外的大量電芯進行放電。而在低電量時,可以正確的標記剩余電芯,高電量下,系統只會標記充滿時電壓最高的一個電芯,是一個,可想而知效率是怎么樣的了,幾乎可以忽略不計。

          下面講一下,什么樣的電池是沒問題的,什么樣的是有問題的。這里,借用了14款秦的DCT軟件電池監控模塊來展示數據。唐不支持這個,但是電池組的原理是相同的。

          很多人去檢查電池的時候,發現自己最低電壓電芯只有2.6-2.8V,感覺這個電芯有問題,進而要求4S店更換,4S套用廠商的表格,給出正常的答復,客戶就會感覺廠商在敷衍。其實,單個電芯電壓較低是正常的。

          最理想的狀況是5%電量是所有電壓電芯均低于3V,這樣電池組所有的電量都被釋放,當然,這樣的電池組幾乎是不存在的,它要求所有電芯的一致性非常非常好。一般來說,判斷電池組狀況較好的依據是在5%的情況下,最低電芯電壓低于3V,而最高電壓電芯電壓低于3.15V(放電到5%的瞬間電壓即可,存放一會兒以后電壓會回升,不比等回升)。

          更換電池廠商有自己的標準,假如滿足更換的條件,可以選擇更換,但是樓主更建議先使用正確的均衡方法均衡100小時,假如效果不明顯再換。因為更換完的電芯和原來已經有所衰減的電芯是很難匹配一致的。

          假如某個電芯有問題,實際容量降低了,那么無論均衡系統如何努力,都是無濟于事的。那么如何判斷電芯問題呢?

          均衡問題導致的電壓不一致,是5%的時候最低電壓電芯和100%時最低電壓電芯是同一個。而電芯問題導致的是5%的時候最低電壓電芯在100%的時候反而電壓較高甚至最高了,假如你的電池組是這樣的情況,那么沒別的辦法,換掉有問題的電芯吧!

          充電量不足、純電續航里程不足:電池組均衡有問題或某個電芯有問題,解決方法為首先判斷是哪種情況,相應的處理意見前文中已經介紹了。

          充電跳電:即電池組在充電時在某個百分比(比如96%),不經過后邊的百分比直接達到100%。原因是系統有關電池組容量的標記大于實際上電池組的容量。在充電到這個百分比時,已經有電芯的電壓達到終止充電的電壓。所以系統停止充電,同時認定此時電量為100%,造成此問題的原因也是充電量不足。

          電量較低時電量下降飛快:因為磷酸鐵鋰電池的放電特點,在中間很長的平臺電壓變化很低,系統只能估測剩余電量。而當電芯剩余電量到達15%(此時對應電芯電壓大約在3.18V)時,電壓會突然下降。

          唐和秦的電池管理系統會在有電芯到達此電壓時,重新預估電池組剩余電量,假如此時剩余電量顯示為30%,而系統重新估測后認為只有15%,那么,管理系統會提高儀表顯示的電量下降速度,造成的結果就是原來1%可以跑800米,而此時只能跑400米。

          國內電池管理系統BMS的困境

          新能源汽車的發展并不是一帆風順的,過去這兩年,隨著新能源汽車的大量推廣使用,我們也聽到了不少有關新能源汽車的"丑聞":自燃、虛假續航里程等,而為何會出現這些使用問題呢?沒有使用電池管理系統或使用劣質的不成熟的電池管理系統是主因。實際上,新能源汽車的安全性問題,一直是政府和汽車產業的重點工作之一。

          不久前,科技部、財政部、工信部和發改委等四部委,已經聯合公布了新能源汽車示范推廣"安全令"(即《有關加強節能和新能源汽車示范推廣安全管理工作的函》),強調"對投入示范運行的插電式混合動力汽車、純電動汽車要全部安裝車輛運行技術狀態實時監控系統(簡稱BMS),特別是要加強對動力鋰電池和燃料動力鋰電池工電動汽車自燃原因多種多樣,并非安裝了電池管理系統就可以高枕無憂的,例如:在安全、精度、壽命、放電能力等方面,單體電池可以充放電2000次,成電池組后可能只有1000次,若搭載不成熟的BMS,無法實時精準地監控電池充放電狀況,極易造成電池芯局部功耗過大,出現局部熱量,且信息無法傳遞至駕駛員,極易導致電池自燃發生。

          業內人士認為,安裝優秀的電池管理學BMS能夠有效提高電池的利用率,防止電池出現過充電和過放電,并且延長電池的使用壽命,監控電池組及各電池單芯的運行狀態,有效預防電池組自燃,如遇緊急情況提前對司機作出突發事件預警,為保障安全贏得時間。

          新能源汽車和電池管理系統的未來

          我國新能源汽車產業始于21世紀初,迄今發展不過十數年,由于人們有關環保和可再生能源的渴求,新能源汽車才迎來了發展機遇,之后便一發不可收拾,在很長的一段未來里,新能源汽車都會作為一個挑戰者去侵占原本屬于傳統燃油汽車的廣大市場,而且由于社會發展的要,這種市場份額的侵占,是可以預期的。

          在展望新能源汽車快速發展的同時,我們必須清楚地認識到,技術的發展才是行業發展的基礎,而穩定、高效、安全、可靠的產品就是技術的體現,我們必須要了解,國內目前的新能源汽車行業并不友善,頻發的電動汽車自燃事件和虛假續航里程,都暴露出國內目前新能源電池組、電池管理系統的設計、檢測、生產的標準的不完善。

          技術參數及標準的缺失,也沒有權威機構對廠商生產的BMS進行權威檢測,這是目前國內BMS市場的困局,導致了BMS產品的良莠不齊,難以大面積推廣。

          同時,目前國內很多汽車廠商及電池PACK公司有關BMS的重要性認識不足,以為只要各個單體電池芯能鏈接上,就能保證車輛運行,對其安全性心存僥幸,在BMS采購中一味地追求低價格,為求合同的簽訂,某些不良BMS供應商只有降低BMS功能指標或干脆部分功能,從而埋下安全隱患,這也是對整個行業的不負責任和傷害。

          只有盡快建立統一的行業標準,打壓不符合市場要求的生產商,建立健全的檢測體系,電池管理系統和新能源汽車才能擁有可持續發展的未來,這也是諸多廠商和消費者的訴求。


        標簽: 電池鋰電池

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