【科普】电池管理系统（BMS）技术

火辣西米秀

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  电池管理系统(Battery Management System，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。

这时就需要BMS大显身手。

 

那么问题来了，BMS主要做什么？

 

      关于BMS的功能，行业内关于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，并挑选出有问题的电池，从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。

 

 

工程师在连接电芯采集单元

 

 

工程师在采集数据，观测车辆在充电状态下的电流、电压、SOC的变化。

  “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，我们需要了解一个行业的常用术语——SOC。

 

何为SOC？

 

     电池组的荷电状态 (State of Charge，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(State of Health),SOP(State of Power)，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等数据估算的准确与否，就显得特别重要。估算不准带来的后果，有可能是汽车抛锚、与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，对于用户来说，这样的情况很糟糕。

     关于电池状态的估算，需要经过一系列复杂的计算。宁德时代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”。其实就是保护的作用，这包括电池的自我保护和人身安全的保护。

    众所周知，电池过充、过放会带来局部过热，影响电池寿命不说，严重时会威胁到电池组的安全，进而引发人身安全隐患。这时，BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能，一方面与整车、充电机实现通讯，另一方面实时提供电池状态，便于及时发出指令控制，有效防止高充、低放的发生。

 

 

工程师在-30℃的黑河进行样车冬季测试

 

     在保护电池的模块，均衡也是很重要的一环，是保护并提升电池寿命的必要手段。另外，电池的保护还包括过压、欠压、过温、过流等的保护。简单来说，当实际参数高于或低于某约定值时，系统将自动做出判断，并采取断开、预充等方式保护电池安全。

      在人身安全方面，BMS通过高压控制的手段来保护。电池高压可达300-500V，远超人体安全电压36V，风险隐患极大，必须做好高压控制，最常见的就是继电器、高压互锁、绝缘防护。周全的高压防护控制，可有效保护司机、乘客和维护人员的人身安全。

 

 

工程师在整车厂进行高压测试

 

      在整个平台开发过程中，BMS严格遵守并满足国际标准ISO26262，项目经验丰富，先后在宝马、大众及PSA项目中进行了功能安全管理及开发；功能安全逐步形成宁德时代的代差优势，也获得了更多国内外整车厂的认可。

在设计阶段，宁德时代力求实现ASIL：D级别目标。如何理解？

     ISO 26262标准根据安全风险程度，划分由A到D的安全需求等级(Automotive Safety Integrity Level ，ASIL)，其中D级为最高等级，需要最苛刻的安全需求。等级越高，对系统的安全性要求越高，为实现安全付出的代价越高，意味着硬件的诊断覆盖率越高，开发流程越严格，相应的开发成本增加、开发周期延长，技术要求越严格。

 

 

     ASILD等级，失效率为10^-8/h，意味着1辆车假定每天运行4小时, 需要运行7万年才出现1次由BMS导致的功能性故障。而如此低概率的失效率，可媲美飞机运行时的要求。通常来说，汽车行业对零部件的要求是B或C等级。

 

     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，为整车提供强大的动力电池系统。