新能源汽車電池管理系統(tǒng)軟硬件發(fā)展技術研究

摘 要：隨著新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，電池管理系統(tǒng)作為整車關鍵控制器之一，對其功能及性能要求也與日俱增，因此電池管理系統(tǒng)自身軟硬件技術也產(chǎn)生新變革，衍生出相互獨立又可以互補融合的技術發(fā)展方向，本文從深挖電池管理系統(tǒng)的基礎功能以及核心技術點出發(fā)，結合在整車企業(yè)實際應用經(jīng)驗以及所遇到的問題，對這些技術的優(yōu)勢進行了比較研究，基于行業(yè)資源投入，給電池管理系統(tǒng)未來發(fā)展提出建議，從而讓新能源汽車的電池管理更加靈活、可靠且精準。

關鍵詞：新能源汽車 電池管理系統(tǒng) 軟硬件技術 未來發(fā)展

1 緒論

狹義的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）主要包括電池管理單元、單體電池管理單元、傳感器及線束等組成。廣義的BMS還包括高壓安全管理系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等[1]。BMS需要具備電池狀態(tài)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、電池控制與保護、電池通信與診斷等功能。因此汽車BMS的設計開發(fā)需要進行多方面研究，其中以下設計因素是保證產(chǎn)品性能的關鍵：為了最大限度地發(fā)揮電池性能同時又必須充分保證電池壽命，必須引入復雜的電池監(jiān)控電路，監(jiān)控電池單元的電壓與溫度，監(jiān)控由多個電池單元串聯(lián)而成的電池組的電壓與電流，平衡電池單元之間的電壓，并需要高頻傳輸數(shù)據(jù)信號，確保電池在驅動和充電時高效、安全地工作；在高共模電壓和高達數(shù)百甚至上千安培開關瞬變的情況下，BMS必須對不同的電池單元進行精確的測量，如電池單元電壓采集的精度必須達到毫伏級，采樣必須在嚴格的延遲時間范圍內(nèi)保持同步，否則會影響整個系統(tǒng)的效率，甚至會對電池本身產(chǎn)生不可能傷害；BMS系統(tǒng)還必須提供安全控制與保護機制，以能夠檢測出電池單元、線纜、連接、監(jiān)控電路和通信總線等的故障；與此同時，在實現(xiàn)以上功能的同時還要求BMS具備較低功耗以減少對電池電量的消耗，同時避免加劇電池不平衡，所以檢測模塊和隔離電路的功耗應盡可能低，甚至休眠功耗需達到mA級別。

此外，汽車BMS行業(yè)存在技術、整車廠商認證、品牌、人才、服務五大壁壘，對BMS市場參與者提出更高要求。但隨著我國組織實施“十五”電動汽車重大科技專項等一系列研究項目開展，國內(nèi)BMS設計與國外一流公司差距逐漸縮小。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前我國BMS行業(yè)參與企業(yè)主要分為三種類型：電池制造商、汽車生產(chǎn)商、專業(yè)第三方BMS企業(yè)。而近幾年越來越多的大型整車廠和電池廠正在通過自行研發(fā)介入或通過合資方式來掌控BMS技術，部分技術實力相對較低的專業(yè)第三方BMS企業(yè)容易成為被并購的一方，專業(yè)第三方BMS企業(yè)的市場地位受到挑戰(zhàn)。隨著電池管理系統(tǒng)企業(yè)數(shù)量越來越多以及技術要求的升級，行業(yè)企業(yè)面臨著新一輪的洗牌風險[2]。

從BMS行業(yè)應用市場來看，目前國內(nèi)的電池管理系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展主要聚焦在汽車動力BMS、儲能電能BMS、消費電子BMS等領域。根據(jù)中國電動汽車百人會、鋰電大數(shù)據(jù)等資料，近幾年，在我國電池管理系統(tǒng)市場中，新能源汽車行業(yè)BMS的需求占比提升迅速，從2016年的37%增長到了2020年的54%；而相比較而言，儲能BMS和消費電子BMS的市場占比則出現(xiàn)了下滑，2020年二者占比分別為24%和22%。而國內(nèi)高品質汽車用BMS集中在少數(shù)幾家，2022年上半年出貨量排名前10的品牌中分布在專業(yè)第三方BMS企業(yè)4家，動力電池廠商4家及整車企業(yè)2家。

3 BMS關鍵核心技術

（1）電池溫度、電壓是電池的關鍵基礎參數(shù)，BMS是基于此類參數(shù)進行處理和控制，例如可以通過溫度傳感器采集的溫度判斷電池是否處于過溫狀態(tài)，以評估是否需要啟動保護。

（2）電池總壓的采集可以單獨設計高壓盒，也可復用模擬前端芯片采集端口。電流的采集可以使用霍爾傳感器、分流器。

（3）SOX估算統(tǒng)指電池狀態(tài)估計，包括SOC、SOE、SOH和SOP估計，是BMS的最核心算法功能。目前部分領先企業(yè)的精度水平最高可達3%左右，國內(nèi)一線BMS 廠家達5%左右，國內(nèi)二線BMS廠家為5%～10%左右。

（4）BMS充電控制方法取決于整車充電流程設計，其方法論主要有恒流充電、恒壓充電、恒功率充電三種。

（5）溫度影響電池的充電能力、放電性能、保持率、安全可靠性、電池壽命等，因此BMS熱管理控制功能在充放電過程中起著至關重要的作用。

（6）由于在電動汽車中應用的動力電池往往是由多串電芯串聯(lián)而成，部分小容量電芯方案中還會出現(xiàn)并聯(lián)組成，而電芯生產(chǎn)過程會存在原材料批次、工藝、電化學甚至生產(chǎn)環(huán)境的不一致性，即使這些差異在電芯初始狀態(tài)導致的性能差異不大，但隨著電池循環(huán)壽命的衰減及電池日歷壽命的減少，電芯之間的差異會越來越大，因此 BMS需要對不一致性的電芯進行均衡。根據(jù)不同分類標準，均衡技術可分為多種，被動均衡管理由于成本低、復雜度和故障率低，被國內(nèi)外企業(yè)廣泛運用，但主動均衡管理效率較高，均衡電流大，能量耗散少，隨著熱風險和電路復雜逐漸克服，BMS有望向主動均衡管理過渡[3]。

（7）診斷模塊可對BMS自身以及其對管理的電池功能進行故障判斷及記錄上報，上報機制可根據(jù)需求定義為固定周期記錄，也可設計為觸發(fā)式，其信息內(nèi)容可包括基礎電池監(jiān)控內(nèi)容、通信狀態(tài)、SOC、交互獲取的其他零件信息（如日期、車速、低壓電壓等）等。

（8）BMS底層基礎軟件必須具備底層IO驅動、CAN通訊、安全監(jiān)控復位、CAN 程序刷新、故障診斷及處理、測量標定、芯片自檢等功能[4]。

（9）BMS的通訊功能既向整車控制器上報電池的狀態(tài)信息（SOC、可充放電功率等），并獲取來自整車控制器的命令，為整車能量管理提供依據(jù)。

4 BMS架構發(fā)展方向

總體來說，BMS發(fā)展方向是要從結構上做減法，同時又要在功能上做加法，以實現(xiàn)成本不斷下降，但智能化和可靠性要不減反曾，以保障電池及車輛基本安全。因此BMS需要突破當前架構，探索新的方向。

4.1 BMS軟硬件集成化

隨著新能源汽車新四化的逐漸發(fā)展，整車上有更多的控制器功能復雜度智能度隨之提升，其零件上配置的微控制器（Microprocessor Controller Unit，MCU）MCU也會選擇功能性能更強大的芯片。此外集成電路的發(fā)展讓芯片功能和資源極大強化后，即使融合部分BMS功能后并未對外部環(huán)境提出更高的要求（如空間、散熱、電氣環(huán)境等），使得BMS主控和整車控制器的集成提供了可能。此外這種新的功能分配架構，可以通過簡化BMS的工作任務，使其更專注于電池本身的監(jiān)測采集，集成后的整車控制器根據(jù)整車信息和電池信息實現(xiàn)整車更準確高效的控制。該系統(tǒng)減小了中間環(huán)節(jié)，提高了整車系統(tǒng)的實時性、安全性、可靠性，減少了BMS的主控部件，也能一定程度上降低系統(tǒng)的成本。同時強大的MCU性能可支持BMS軟件開發(fā)算力需求更大更加精準的算法，逐漸實現(xiàn)向“智能型BMS”轉變，讓動力電池的管理功能不再只具有簡單的充放電保護功能，還逐漸提供高效智能熱管理、多電芯平衡管理、高精度SOX計算等。

4.2 端云融合AI-BMS

傳統(tǒng)BMS有著如下缺陷：管理參數(shù)依賴于開發(fā)階段電池測試數(shù)據(jù)，且設定后不易更改，不利于電池實時狀態(tài)變化管理；受限于存儲和計算能力，無法利用歷史數(shù)據(jù)；故障初級診斷，不能復雜技術與預測；無法實現(xiàn)個性化管理策略。因此，基于云端大數(shù)據(jù)的云BMS應運而生。現(xiàn)在新能源汽車的電池價格一直居高不下，甚至占了整車總價格的40%以上，如何延緩電池衰退、降低電池成本成為了所有新能源廠商的重要工作之一。根據(jù)國家標準GB/T 38661-2020要求，BMS要對SOC、SOP還有SOH進行監(jiān)控，當然大部分汽車生產(chǎn)商還會有大量更加豐富的企業(yè)自定義信號監(jiān)控。因此需要車載BMS采集電池系統(tǒng)的基礎信息，通過車聯(lián)網(wǎng)上傳到云端服務器；云端服務器將數(shù)進行存儲，并按一定的AI大模型進行分析和計算；然后將關鍵數(shù)據(jù)定時上傳到對應的車載BMS，車載BMS根據(jù)這些數(shù)據(jù)重新對SOC進行計算和標定[5]。因此理論上擁有無限存儲能力和計算能力。可以利用全生命周期的歷史數(shù)據(jù)進行電池算法計算、預測。同時可以一車一策略、一車一管理，根據(jù)每位新能源汽車用戶的充電行為和駕駛行為來個性化定制“千人千面”的充放電策略，從而達到延緩電池衰退這個終極目標。

4.3 無線BMS

隨著技術進步，市場上逐漸出現(xiàn)替代有線BMS的無線BMS方案。在當前有線BMS解決方案中，通常利用雙絞線電纜，以菊花鏈方式連接模擬前端芯片，以傳輸從每個電池模塊采集的數(shù)據(jù)。無線BMS聚焦窄帶無線數(shù)字通信機制，引入高安全的高密度組網(wǎng)機制，探索將加密、跳頻、抗干擾、數(shù)據(jù)伸縮、動態(tài)升級等方法引入自身通信機制中，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的高密度、靈活配置、抗干擾、快速準確的數(shù)據(jù)通信。基于無線BMS獨特的可升級、數(shù)據(jù)可伸縮等特點，可極大提升電池包安裝和生產(chǎn)效率。

國外龍頭紛紛推出無線BMS方案，無線BMS成未來趨勢。2019年，亞德諾半導體技術有限公司和通用汽車等整車企業(yè)合作研發(fā)無線BMS，推出了無線BMS系統(tǒng)與平臺，并在通用奧特能平臺電池上首次量產(chǎn)應用，從而實現(xiàn)在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池數(shù)據(jù)并分析，使動力電池價值最大化。2021年，德州儀器宣布推出經(jīng)南德集團認證的功能安全認證的無線BMS解決方案，實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)臒o線化，并集成了專用的無線BMS協(xié)議棧，采用2.4GHz頻段，從而支持快速組網(wǎng)。

探索由無線BMS帶來的數(shù)據(jù)伸縮、電芯AFE升級等能力，對于下一代電池包成本、密度和可靠性的新的路徑。

4.4 芯片國產(chǎn)化

需求端：受新能源車滲透率快速提升，BMS行業(yè)技術水平普遍提升。BMS可助力電池壽命提升，但仍需降本增效。據(jù)市場調研機構研究，電池成本占新能源車成本比例達40%，而動力電池成本中BMS及熱管理系統(tǒng)占比 10%，同時BMS系統(tǒng)所用的MCU、ADC、AFE芯片、隔離芯片、均衡電路等是國產(chǎn)芯片廠商研發(fā)的重點，目前國外廠商仍存在先發(fā)優(yōu)勢，但國產(chǎn)芯片追趕之勢迅猛，BMS作為電池系統(tǒng)的重要部分，無論哪種路徑結合全面國產(chǎn)化，可開發(fā)出更具價格優(yōu)勢的通用化平臺產(chǎn)品，極大提升產(chǎn)品競爭力，同時也能支撐國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 結語

隨著新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，對功能更多性能更強的電池管理系統(tǒng)提出了強烈的需求，同時隨著應用場景增加、大數(shù)據(jù)技術發(fā)展以及國內(nèi)芯片設計制造能力的提升，電池管理系統(tǒng)自身軟硬件技術也會產(chǎn)生新變革，未來將會出現(xiàn)以無線BMS為電池數(shù)據(jù)接口，結合車端更加強大的處理器完成高速基礎運算，同時打通端云，進一步利用強大的云端AI大模型，讓BMS更加智慧，同時國產(chǎn)芯片飛速發(fā)展的疊加，如此既相互獨立技術方向又可以互補融合，深化解決當前BMS在制造靈活度、運行可靠度以及計算精準度等方面存在的局限性，從而達到提升整車質量，降低成本，改進能耗的效果，為新能源汽車進一步提升市占率做出貢獻。

基金項目：廣西科技重大專項（2023AA01011）。

參考文獻：

[1]崔相雨.基于嵌入式MCU的車載動力鋰電池管理系統(tǒng)關鍵技術研究[D].長沙：湖南大學機械與運載工程學院，2019.

[2]王曉舜，邵飛，董利軍，等.蓄電池遠程管理維護系統(tǒng)研究與設計[J].電子制作，2023，31（01）：97-99.

[3]潘靈霄.BMS芯片中被動均衡控制器的設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學航天學院，2022.

[4]齊凱.新能源汽車BMS核心技術及發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（13）：117-118+120.

[5]曾祥兵.基于云端計算的SOC估計策略[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2018（07）：78-79.