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解密CATL和比亚迪的电池管理系统(BMS)

时间:2022-07-06 13:32:58来源:钜大LARGE

导语:​假如把电芯比作人体的心脏,模组和电池包比作强健的体魄,那么整个动力锂电池系统要平稳运行,还要一个支配身体的智慧大脑,那就是BMS。

  电池管理系统(BatteryManagementSystem,简称BMS)是连接电池和电动汽车的重要纽带,其精准的控制和管理为电池的完美应用保驾护航。

  "龙生九子,各有不同。"即使同一批次生产的两个单体电芯,因生产工艺误差、使用环境差异等,其性能也不可能完全一致;在使用过程中这种不一致性会逐渐扩大,可能会出现过充、过放和局部过热的危险,严重时影响到电池组的使用寿命和安全。

  这时就要BMS大显身手。

  那么问题来了,BMS重要做什么?

  电池管理系统BMS的功能用途

  1、准确估测动力锂电池组的荷电状态

  准确估测动力锂电池组的荷电状态(StateofCharge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

  2、动态监测动力锂电池组的工作状态

  在电池充放电过程中,实时采集动力锂电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。

  同时能够及时给出电池状况,选择出有问题的电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性,使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外,还要建立每块电池的使用历史档案,为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等供应资料,为离线分析系统故障供应依据。

  3、单体电池间的均衡

  即为单体电池均衡充电,使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究和开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

  有关BMS的功能,行业内有关其分类方式不尽相同。不过从用户的角度来理解,可大致划分为两大功能——"电池体检"和"安全卫士"。

  即时体检

  精准掌握电池状态

  即时"体检",指的是电池数据采集和状态评估。

  数据采集,可简单理解为给电池做例行的"体检";在充放电过程中,实时采集电池组中每块电池的端电压、温度、充放电电流及总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。

  这种"体检"是在线的、持续的、不间断的。过程中当发现数据异常时,可及时查询对应电池状况,并选择出有问题的电池,从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。

  CATL掌握业内领先的高精度测量技术,总流总压精度可达千分之五;采样数据精度很高,通过实时了解电池真实工作状态,及时做出判断和修正。

  "体检"结束之后,会进入分析、诊断、计算的阶段,之后生成"体检报告",这个过程可以理解为电池的状态评估。

  这时,我们要了解一个行业的常用术语——SOC。

  何为SOC?

  电池组的荷电状态(StateofCharge,即SOC),即电池剩余电量。SOC是判断电池过充及过放等一系列故障的基础,精确的估算SOC,可防止电池过充和过放,延长电池的使用寿命,从而提高电池的利用率。

  其实,除了SOC估算,还有SOH(StateofHealth),SOP(StateofPower),用户可通过车上仪表显示看到这些数据,从而确认电池的工作、功能状态。据此,在保护电池的基础上,将潜力发挥最大化,大大提升驾乘体验。

  因此SOC等数据估算的准确和否,就显得特别重要。估算不准带来的后果,有可能是汽车抛锚、和预期的行驶里程数不符等。

  车辆正在进行快充实验时,SOC显示52%

  举个例子,满电情况下续航里程为400公里的车辆在道路行驶。若估算准确,当SOC显示为10%时,还可能行驶的里程是40公里;若估算不准,SOC达到15%,则用户以为的里程为60公里,事实上可能在行驶40公里之后,就已经没电了。很显然,有关用户来说,这样的情况很糟糕。

  有关电池状态的估算,要经过一系列复杂的计算。CATL掌握了精确的核心算法,通过基于电池参数的估算方法,有效消除累积误差的影响,估算更精确。NCM估算精确度在3%,LFP在5%左右。

  "安全卫士"

  保护电池及人身安全

  BMS还有另一大核心功能,就是"安全卫士";可简单理解为保护的用途,重要体现在对电池及高压安全的防护上。

  首先,由于电池内部结构的复杂性,电池滥用或损坏会影响到电池寿命及安全性,严重时会造成电池热失控,从而引发安全事故。BMS对电池的保护功能表现在:一方面,对电池状态进行实时监控;另一方面,和整车及充电机等外部系统进行通讯,对充放电过程进行及时有效的控制,从而防止危险事故的发生。

  目前,CATL已实现了BMS对电池充电、放电及均衡过程全方位的保护,做到了对故障的提前预防、发生检测,过程控制及影响降级。

  工程师在-30℃的黑河进行样车冬季测试

  其次,电池系统电压可达300-500V,远超人体安全电压,风险隐患极大,高压安全防护为此保驾护航。BMS通过对绝缘电阻、高压互锁及继电器状态的检测,对可能发生的高压泄漏风险进行检测及控制,从而保护驾驶员、乘客及维修人员的人身安全。

  工程师在整车厂进行高压测试

  说到安全,就不得不提功能安全了。功能安全是BMS安全开发的核心,目的是预防、检测及控制BMS及其他E/E部件故障所造成的动力锂电池系统危险。CATL始终以做前列安全电池为发展目标,是业内较早进入功能安全开发领域,也是第一个开发具有ASILD功能安全目标的BMS产品的动力锂电池公司。

  何为ASILD等级?

  国际安全标准ISO26262根据安全风险程度,将安全需求划分为A到D的安全等级(AutomotiveSafetyIntegrityLevel,ASIL),其中D级为最高等级,是最苛刻的安全需求,意味着功能安全开发流程及技术要求更严格、相应的开发成本新增、开发周期延长。

  不同安全等级产品的随机硬件失效率要求

  ASILD等级要求产品安全目标失效率小于10^-8/h,意味着1辆车假定每天运行4小时,要运行7万年才出现1次违反安全目标的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飞机的安全设计要求。

  CATL已先后为宝马、大众、标致雪铁龙及长城等多家国内外客户,供应或合作开发了满足功能安全要求的BMS产品,获得了客户及第三方评审机构的一致认可。在积累了丰富项目相关相关经验的同时,CATL也逐渐形成了BMS产品功能安全的巨大优势。

  其实,BMS的功能远不止这些,可谓"小身材,大智慧"。电池管理系统协同电池包,为整车供应强大的动力锂电池系统。未来,CATL也将携手同行,踏上更高更远的征程!

  解密比亚迪电池管理系统

  首先我们来谈谈唐和秦的电池,型号应该是相同的,只是秦的电池组电芯数量比较少,容量13度,唐的比较多,18度。单个的电芯都是比亚迪自己制造的磷酸铁锂电池,额定电压3.2V,容量26AH。为何不是最近比较火的三元锂电池呢?原因如下图:

  磷酸铁锂电池拥有更好的寿命、安全性,更适合插电式混动车的用车情况。

  电池单体大概是这个样子的,但是这个应该是大巴上的,因为电储量高达120AH,咱们的只有26AH,不过大致上是相同的,都是长方体。

  唐的电池组位于底盘中部,体积和重量都比较大。放在底盘的好处是降低了整车重心,同时不影响后备箱空间。缺点嘛,对放水和防磕碰要求比较高,日常使用要注意这块不要浸水,不要磕碰。

  这是秦的电池组,位于后座以后,后备箱之前。优点:放水防磕碰性能都很好,缺点:重心比较高,影响后备箱空间,和唐正好是相对的~

  连接方式为串联(全部电芯串联),串联的电池如下图,形象一点说,就是类似于我们以前用过的手电筒,几个电池头尾相接。

  这种连接方式,每个电芯放电的时候使用同样的电流对外放电,充电的时候同样的电流充电,在不借助均衡系统的情况下,无法对单个电芯进行充放电。而且,当一个电芯充满时,就要停止对整个电池组的充电,不然这个电芯会过充损坏,而一个电芯放空的时候,整个电池组就要停止放电,不然这个电芯会过放损坏。

  还记得手电筒有什么要求么?对了,新旧电池不能混用,也就是说有电和没电的电池不能混用。回到唐和秦的电池组,上边是个示意图,选取了几个电芯。正常情况下,他们的存电量应该是完全相同的,一起充满,一起放空,假如一直这样循环,那么就不会出现文章之初的各种问题了。

  事实上,电池组使用一段时间以后,就会出现各个电芯存电量出现差异的情况,出现差异的原因有很多,比如电池本身容量就不一致,或者内阻不一致,工作温度不一致等,都会导致放电容量出现差异。当各个电芯存电量不一致,就会出现下图的情况:

  表面上看,只是有一个电芯损失了一点电量,一共有那么多电芯,应该不会有什么影响吧?我们继续往下看,这个电池组放电的时候,会发生什么:

  整个电池组释放了80%的电量,而这时候,原本不满的电池已经空了,这时候电池组就要停止放电。假如这个电池组的存电量是10度,那么在充满的情况下,这个不均衡的电池组放电80%也就是8度就已经无法放电了,表面上看只有5%的电量缺失,却导致20%的容量无法使用。这还是只有4个电芯比较的情况下,假如是200多个,可想而知影响有多大。

  那么一旦出现了不均衡,怎么办呢?这就要用到电池管理系统的均衡模块。唐和秦的均衡模块采用的是被动均衡方式,也就是说,通过旁路电阻给电压较高的电芯放电,使其达到和其他电芯相同的电压。也就是这样:

  每个电芯都有一个由电池管理系统单独控制的电阻,当要的时候,接通这个电阻的电路,给电芯放电。通过经过一定的时间,这个不均衡的电池组就变成了这样:

  电芯电容量一致了,再充电就可以都充满,放电都放空,一切恢复正常,容量回来了,续航也回来了!听起来很美,是吧?那为何很多车就是达不到这个效果呢?

  首先,这个放电的过程非常缓慢!充电过程的话电流可以达到10A以上(10000ma),而这个放电呢?据了解,这个放电电阻允许的最大电流是30ma~在均衡系统一直处于最佳均衡状态的情况下,均衡一度电的差异,也要100小时左右!

  其次,均衡系统不是一直工作在最佳状态下的。要有一个好的工作状态,系统要了解哪个电芯是要被放电的,要放多少电。而这个过程不是任意电量都可以完成的。

  这是一个磷酸铁锂电池放电的曲线图。可以看到,在15%电量以上的时候,电压的差异是非常小的。这时候要找到哪个电芯要放电,放多少,是非常困难甚至不可能的。所以,要让均衡系统处于高效工作状态,就要实时的把电池用到15%以下。

  然后充满电,让车进入均衡状态,这时候的均衡效率是最高的,除非用车,不然建议等到均衡结束(也就是说仪表盘完全熄灭)。在电池组不均衡的情况下,一次均衡大概要20小时左右,大家可以按照自己的电池组缺少电量来计算要多少个循环。

  这也就引申出了另一个问题:在均衡结束以后,略微用一点电,然后充满,车辆会再次进入均衡状态,这个时间,应不应该计入有效均衡?根据楼主的相关相关经验,这个均衡几乎是无效的。

  因为唐和秦的电池组不均衡,绝大多数是某一两个电芯电压过低,要对另外的大量电芯进行放电。而在低电量时,可以正确的标记剩余电芯,高电量下,系统只会标记充满时电压最高的一个电芯,是一个,可想而知效率是怎么样的了,几乎可以忽略不计。

  下面讲一下,什么样的电池是没问题的,什么样的是有问题的。这里,借用了14款秦的DCT软件电池监控模块来展示数据。唐不支持这个,但是电池组的原理是相同的。

  很多人去检查电池的时候,发现自己最低电压电芯只有2.6-2.8V,感觉这个电芯有问题,进而要求4S店更换,4S套用厂商的表格,给出正常的答复,客户就会感觉厂商在敷衍。其实,单个电芯电压较低是正常的。

  最理想的状况是5%电量是所有电压电芯均低于3V,这样电池组所有的电量都被释放,当然,这样的电池组几乎是不存在的,它要求所有电芯的一致性非常非常好。一般来说,判断电池组状况较好的依据是在5%的情况下,最低电芯电压低于3V,而最高电压电芯电压低于3.15V(放电到5%的瞬间电压即可,存放一会儿以后电压会回升,不比等回升)。

  更换电池厂商有自己的标准,假如满足更换的条件,可以选择更换,但是楼主更建议先使用正确的均衡方法均衡100小时,假如效果不明显再换。因为更换完的电芯和原来已经有所衰减的电芯是很难匹配一致的。

  假如某个电芯有问题,实际容量降低了,那么无论均衡系统如何努力,都是无济于事的。那么如何判断电芯问题呢?

  均衡问题导致的电压不一致,是5%的时候最低电压电芯和100%时最低电压电芯是同一个。而电芯问题导致的是5%的时候最低电压电芯在100%的时候反而电压较高甚至最高了,假如你的电池组是这样的情况,那么没别的办法,换掉有问题的电芯吧!

  充电量不足、纯电续航里程不足:电池组均衡有问题或某个电芯有问题,解决方法为首先判断是哪种情况,相应的处理意见前文中已经介绍了。

  充电跳电:即电池组在充电时在某个百分比(比如96%),不经过后边的百分比直接达到100%。原因是系统有关电池组容量的标记大于实际上电池组的容量。在充电到这个百分比时,已经有电芯的电压达到终止充电的电压。所以系统停止充电,同时认定此时电量为100%,造成此问题的原因也是充电量不足。

  电量较低时电量下降飞快:因为磷酸铁锂电池的放电特点,在中间很长的平台电压变化很低,系统只能估测剩余电量。而当电芯剩余电量到达15%(此时对应电芯电压大约在3.18V)时,电压会突然下降。

  唐和秦的电池管理系统会在有电芯到达此电压时,重新预估电池组剩余电量,假如此时剩余电量显示为30%,而系统重新估测后认为只有15%,那么,管理系统会提高仪表显示的电量下降速度,造成的结果就是原来1%可以跑800米,而此时只能跑400米。

  国内电池管理系统BMS的困境

  新能源汽车的发展并不是一帆风顺的,过去这两年,随着新能源汽车的大量推广使用,我们也听到了不少有关新能源汽车的"丑闻":自燃、虚假续航里程等,而为何会出现这些使用问题呢?没有使用电池管理系统或使用劣质的不成熟的电池管理系统是主因。实际上,新能源汽车的安全性问题,一直是政府和汽车产业的重点工作之一。

  不久前,科技部、财政部、工信部和发改委等四部委,已经联合公布了新能源汽车示范推广"安全令"(即《有关加强节能和新能源汽车示范推广安全管理工作的函》),强调"对投入示范运行的插电式混合动力汽车、纯电动汽车要全部安装车辆运行技术状态实时监控系统(简称BMS),特别是要加强对动力锂电池和燃料动力锂电池工电动汽车自燃原因多种多样,并非安装了电池管理系统就可以高枕无忧的,例如:在安全、精度、寿命、放电能力等方面,单体电池可以充放电2000次,成电池组后可能只有1000次,若搭载不成熟的BMS,无法实时精准地监控电池充放电状况,极易造成电池芯局部功耗过大,出现局部热量,且信息无法传递至驾驶员,极易导致电池自燃发生。

  业内人士认为,安装优秀的电池管理学BMS能够有效提高电池的利用率,防止电池出现过充电和过放电,并且延长电池的使用寿命,监控电池组及各电池单芯的运行状态,有效预防电池组自燃,如遇紧急情况提前对司机作出突发事件预警,为保障安全赢得时间。

  新能源汽车和电池管理系统的未来

  我国新能源汽车产业始于21世纪初,迄今发展不过十数年,由于人们有关环保和可再生能源的渴求,新能源汽车才迎来了发展机遇,之后便一发不可收拾,在很长的一段未来里,新能源汽车都会作为一个挑战者去侵占原本属于传统燃油汽车的广大市场,而且由于社会发展的要,这种市场份额的侵占,是可以预期的。

  在展望新能源汽车快速发展的同时,我们必须清楚地认识到,技术的发展才是行业发展的基础,而稳定、高效、安全、可靠的产品就是技术的体现,我们必须要了解,国内目前的新能源汽车行业并不友善,频发的电动汽车自燃事件和虚假续航里程,都暴露出国内目前新能源电池组、电池管理系统的设计、检测、生产的标准的不完善。

  技术参数及标准的缺失,也没有权威机构对厂商生产的BMS进行权威检测,这是目前国内BMS市场的困局,导致了BMS产品的良莠不齐,难以大面积推广。

  同时,目前国内很多汽车厂商及电池PACK公司有关BMS的重要性认识不足,以为只要各个单体电池芯能链接上,就能保证车辆运行,对其安全性心存侥幸,在BMS采购中一味地追求低价格,为求合同的签订,某些不良BMS供应商只有降低BMS功能指标或干脆部分功能,从而埋下安全隐患,这也是对整个行业的不负责任和伤害。

  只有尽快建立统一的行业标准,打压不符合市场要求的生产商,建立健全的检测体系,电池管理系统和新能源汽车才能拥有可持续发展的未来,这也是诸多厂商和消费者的诉求。


标签: 电池锂电池

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