新能源电动汽车的心脏:BMS产业深度研究

时间:2018-07-12 15:05来源:未知 作者:汽车电子营 阅读:

电池管理系统(BMS)是电动汽车最核心最重要的部分,虽然它的成本占比并不大,但它是电池寿命的重要保证。光有好的BMS没有优良的散热系统那是空中楼阁,好马配好鞍。看好专业BMS厂商跟整车企业深度合作,互惠互利。

我国生产的电池管理系统(BMS)供应商呈现四大类型:专业的BMS厂商、主机厂、电池厂商,以及综合型汽车零部件企业。其中,主机厂生产的BMS装机量约占总量的28%,电池厂生产的BMS装机量份额约为12%,专业的BMS厂商约占据60%的份额。

BMS商业模式的发展趋势是专业厂商与整车企业之间的合作,整车企业有运行参数,这是BMS公司所缺乏的,BMS与整车控制器之间的数据交换是电动汽车正常工作的关键因素,两者形成紧密的合作关系,会使BMS公司在数据获取方面得到便利,使技术得到更好的发展,对整车企业技术也是提高。

市场规模方面,电动汽车BMS的市场将快速扩大,到2020年市场规模将超百亿元;分布式发电需按照4:1的比例配备储能系统,BMS系统规模超过300亿元。

【什么是BMS】

电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。BMS实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息,与外部设备如整车控制器交换信息,解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题,主要作用是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。通俗的讲,就是一套管理、控制、使用电池组的系统。

【BMS主要作用】

提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。

【为什么需要BMS】

讲BMS以前,我们先了解一下锂电池的原理,以便加深理解。

电动汽车的心脏:BMS产业深度研究

图注:锂电芯的内部构照图

锂电池通常有两种外型:圆柱型和方型。电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细且渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。

 

正极材料:可选的正极材料很多,主流产品多采用锂铁磷酸盐,特斯拉正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料。

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。

负极材料:多采用石墨,以后钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。

锂电芯充电压如果高于4.2V后,正极材料内剩下的锂原子数量不到一半,此时储存格通常会垮掉,让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电,由于负极的储存格已经装满了锂原子,后续的锂金属会堆积于负极材料表面,这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸,使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸,这是因为在过充过程,电解液等材料会裂解产生气体,使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应,进而爆炸。

所以,锂电池在充电时,一定要设定电压上限,才可以保证电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。

同样锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电,放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到2.4V才停止。

充放电时,除了电压的限制,电流的限制也很必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集于材料表面产生锂原子结晶。

通俗的说就是锂离子在充放电的过程中通过电解液穿过隔膜不停的在正负两极之间来回搬家,锂离子的质量好坏,就取决于来回搬家的数量,多了少了都不行,控制的好,就可以反复充电而不减少容量,否则就会让电池容量产生永久性的下降,甚至爆炸。

每个电芯,每一批电芯制造过程中,工艺上的问题和材质的不均匀,使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别,这会导致内部结构和材质上的不完全一致。

锂电池单体如果过大,使用过程中容易产生高温,不利于安全,大容量电池必须通过串并联的方式形成电池组。而每个单体电池本身不可能做到性能一致,再加上使用环境的影响,均会造成电池寿命的差别,大大影响整个电池组的寿命和性能。串联就好比一行人排成一列队形,如果其中一个人走的慢就会影响整个队伍,其中一个电芯性能下降就会影响整个电池组的性能,严重的造成整体更换。

实际使用中,电池组中各个电池的电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响,造成同一类型、规格的电池在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别,使其在电动汽车上使用时,性能指标往往达不到单体电池的原有水平,严重影响其在电动汽车上的应用。

所以锂电池需要BMS严格控制充放电过程,避免过充,过放,过热。延长电池组的使用寿命,并发挥最大的效能。

【BMS的构成】

我们知道电动汽车动力电池是由几千个小电芯组成的,电池包的组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和BMS。

电池包是新能源汽车核心部件,为整车提供驱动电能,它主要通过金属材质的壳体包裹构成电池包保护主体。电芯通过模块化的结构设计实现了电芯的集成,并且包括了电芯的散热硬件。散热系统设计的好坏是BMS实现优良管理的前提,这也是各家厂商技术先进与否的重要体现。

通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能,电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径;通过BMS实现对电芯的管理,以及与整车的通讯及信息交换。

图注:完整的电池包系统

BMS系统包括主控模块、采集均衡模块和显示模块等

【BMS的基本功能】

1、单体电池电压采集;

2、单体电池温度采集;

3、电池组电流检测;

4、单体、电池组soc测算(电池剩余容量);

5、电池组soh评估(电池健康状态);

6、充放电均衡功能;

7、绝缘检测及漏电保护;

8、热管理(散热,加热);

9、数据记录(循环数据,报警数据);

10、电池故障分析与在线报警;

11、通信功能(充电机,电机控制器)。

【BMS的核心功能】

BMS最核心的三大功能为电芯监控、荷电状态(SOC)估算以及单体电池均衡。

电池单体电压和电池组电压的监测结果对于电池SOC的计算具有重要意义,是计算电池组其它参数的重要参考指标。

单电芯SOC计算是BMS中的重点和难点,SOC是BMS中最重要的参数,因为其它一切都是以SOC为基础的,所以它的精度和鲁棒性(也叫纠错能力)极其重要。如果没有精确的SOC,再多的保护功能也无法使BMS正常工作,因为电池会经常处于被保护状态,更无法延长电池的寿命。

此外,SOC的估算精度也是十分重要的。精度越高,对于相同容量的电池,可以使电动车有更高的续航里程。所以,高精度的SOC估算可以使电池组发挥最大的效能。目前最常采用的计算方法有安时积分法和开路电压标定法,通过建立电池模型和大量的数据采集,将实际数据与计算数据进行比较,这也是各家的技术秘籍,需要长时间大量数据积累,同时也是特斯拉技术含量最高的部分。特斯拉已经在电池冷却、安全、电荷平衡等与BMS相关的领域申请核心专利超过上百项。

温度的准确测量对于电池组工作状态也相当重要,包括单个电池的温度测量和电池组散热液体温度监测。这需要合理设置好温度传感器的位置和使用个数,与BMS控制模块形成良好的配合。电池组散热液体温度的监控重点在于入口和出口出的流体温度,其监测精度的选择与单体电池类似。

【BMS系统原理图】

系统由主控模块BMU、采集均衡模块BSU、显示模块BDU组成。主控模块通过CAN接口与采集模块进行高速通信;BMU通过对电池组数据的实时采集分析,动态制定电池管理策略(这就是各家技术差别的重点——软件算法),通过热管理、主动均衡管理、充电管理、放电管理、边界管理等手段控制电池工作在合适的工况,同时与车辆VCU及充电机进行信息交换。

系统具有丰富的外部接口,能够满足多种场合的应用需求,这些接口包括:

电压采集输入接口、温度采集输入接口、风扇控制输出接口、加热控制输出接口、CAN2.0接口、USB接口、GPRS无线接口、干接点输出接口、开关量采集输入接口、电流高速采集输入接口、高压信号采集输入接口。

1、主动均衡技术

在串联成组的电池组系统中,整个电池组系统的容量由容量最小的单体决定。因此电池容量的一致性会影响整组电池的性能,导致电池组实际可用容量降低。电池均衡技术是解决以上问题的有效手段,常见的均衡方式有两种:能量耗散型单向均衡(被动均衡)和能量转移型双向均衡(主动均衡)。

(1)被动均衡

原理是在每串电池上并联一个可以开关的放电电阻,BMS控制放电电阻对电压较高的单体放电,电能以热的形式耗散掉。这种方式只能对电压高的单体放电,不能对容量低的单体进行补充电,受放电电阻功率限制,均衡电流一般较小。

(2)主动均衡

由BMS内部控制一个双向高频开关电源变换器,对电压较高的电池放电,放出的能量用来对电压较低的单体进行充电,能量主要是转移而不是耗散,能量损失较少,由于没有放电电阻功率的限制,均衡电流一般较大。

2、主动均衡技术主要特点

(1)均衡削高补低,提高电池组的使用效率:在充放电及静止过程中,均可以对电压高的电池放电,对电压低的电池充电;

(2)低损耗能量转移:采用配对式充放电方式,放电电池的能量转移到充电电池中,损耗很低;

(3)有效延长电池的使用寿命:采用了按需充电的模式,减少了电池过充或过放的次数,有效延长电池的寿命;

(4)均衡能力达到5A(科列技术):采用大功率低损耗双向DC/DC变压器,均衡能力达到5A;

(5)CAN通讯:采用工业级CAN总线,通讯更稳定。

3、无线传输技术

BMS远程监控系统采用高可靠性、工业级GPRS数据模块,基于先进云技术搭建的365天×24小时无线监控网络,可以对锂离子动力电池组进行远程监控和维护。

对于用户而言,基于云存储技术的无线监控系统,使用户能随时了解电池的运行状况,还可根据需要远程调整电池组的运行参数、下载历史运行数据,包括总电压、总电流、SOC、单体电压、电池温度、电池组漏电流等,帮助用户对动力电池进行精细化管理。

4、容量管理技术

在动力电池的使用过程中,如何充分发挥电池系统的动力性能、提高其使用安全性、避免电池过充和过放,从而延长电池的使用寿命是BMS的主要功能之一。BMS可以对动力电池进行有效的容量管理,具体包括电池剩余容量(SOC)计算、电池健康状态(SOH)预测、电池可用功率(SOP)预测等,通过诊断终端可迅速选择和监测,帮助电池组发挥最佳运行状态。

5、高压绝缘监测

高压小电流是电动汽车常用的电池PACK方式,所以高压绝缘盒的安全非常重要。BMS产品内置高压安全管理单元,可实时检测最高达900V电池母线的绝缘状态,可迅速在线检测电池单极接地、双极接地、中间接地等漏电故障。同时加强强弱电之间的绝缘设计,有力保障电池在分布式高压场合使用的安全性,确保车辆安全运行。具体而言从以下两方面解决了高压绝缘的问题:

(1)系统设计隔离安全:BMS弱电与高压电之间隔离;

(2)动力母线检测安全:采用可靠的接地检测方法,既不影响系统的接地电阻,又能随时监测漏电情况。

【BMS系统综述】

纯电动汽车的三大核心技术——电机、电控以及电池。电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。通过以上论述可以发现电池管理系统是核心中的核心,它的技术先进与否直接关系到整车的性能和电池的使用寿命,还有安全性。

电动汽车的安全性问题本质上就是动力电池的安全性,电池过热、过充、内短路、碰撞等是引发动力电池“热失控”的几个重要原因。

前期发生的几次电动车自燃事故,除了电池本身的问题,主要原因是BMS系统的设计缺陷以及工作稳定性不佳。只有优良的BMS没有科学合理的电芯集成,良好的散热系统也是不行的。所以国内外许多新能源车企都将电池管理系统作为企业最核心的技术,也出现了专门研究BMS的公司。这也是专业分工的体现,有实力的企业自己研发BMS系统。

国内电池管理系统BMS的研发生产主要集中在这三类企业:

1、新能源汽车厂商,代表企业:比亚迪;

2、电池PACK厂商,代表企业:沃特玛;

3、专业BMS厂商,代表企业:惠州亿能。

【BMS实例分析】

纯理论讲多了有点烦,我们来点干货,看看最牛的特斯拉的电池包。

电池组安放在前后轴之间的底盘位置,其重量可达900公斤,因此造成底盘重心较低,非常利于车辆的高速稳定性。电池组几乎占据车辆底盘的全部,但电池组并没有作为承力主体。电池组有加强筋和受力框架保护,大大减低碰撞时的爆炸危险。

电池板中的16块电池组均衡平铺在壳体上,整体结构紧凑,平铺有利于散热。每一组电池组由六组单体电池包串联而成,但单体电池包的布置并没有采用均衡布置,而是采用不规则的排列,猜测是为了方便电池组内的散热管路布置。

瞧瞧主动保护

电池组整体由透明塑料壳包裹住,两侧有金属散热护板包围。电池厚度比脚掌稍稍厚些,属于扁长型电池组,从而导致车辆重心大大降低。总体电池组保护的相当不错。

电池板内除了电池组外,最多都是“冷却液”管路。每组电池都需要通入一定量的“冷却液”。虽然“冷却液”并没有泵驱动主动流动,但整个电池板所有管路都是相通的,“冷却液”可热胀冷缩进行一定范围流动。“冷却液”呈绿色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”配合着铝管使用主要是为了保持电池温度的均衡,防止电池局部温度过高导致电池性能下降。特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃。控制好电池板的温度可延长电池的使用寿命。

从电路图上可看到,电池管理系统为特斯拉自行研发,拥有高度知识产权。该系统能自行处理充放电以及发热问题。相信国内厂商较难山寨出来。

优质的电芯+精良的硬件设计+优秀的散热体系+完善的软件=优秀的BMS系统。特斯拉寻遍了全世界也只找到一家电池厂家——松下,并救活了松下,这是后话。优质的电芯可以减少BMS系统工作量,提高检测精度。

织梦二维码生成器
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
用户名: 验证码:点击我更换图片

友情链接

技术

产品

软件/工具

供应商

© 2018 汽车电子营 沪ICP备14012069号-1 Power by DedeCms