純電動(dòng)汽車的那些事兒：電池管理系統(tǒng)究竟是如何工作的？

時(shí)間:2019-11-08 08:38來(lái)源:騰訊新聞 作者:綜合報(bào)道
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       在第一次購(gòu)買純電動(dòng)汽車之前，必須要有充足的準(zhǔn)備，才不會(huì)后悔。
 
       1.相比續(xù)航焦慮來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車的安全焦慮是車主們更關(guān)注的話題。
 
       2.有數(shù)據(jù)顯示：80%的新能源車自燃事故是在充電中或充滿電后1小時(shí)內(nèi)發(fā)生。
 
       3.新能源車的熱管理效果會(huì)影響超過(guò)40%以上的續(xù)航效果。
 
       那些忽視電池的安全性，盲目的只關(guān)注“高續(xù)航里程”和“高能量密度”這些數(shù)據(jù)的選車人，真的有一天會(huì)后悔都來(lái)不及。
 
       如果能夠有效規(guī)避充電導(dǎo)致的起火，電動(dòng)汽車的安全事故將大幅降低。這個(gè)時(shí)候，我們需要了解一下BMS。
       BMS（battery management system），是電動(dòng)汽車不可或缺的重要部件，是管理和監(jiān)控動(dòng)力電池的中樞，管理、維護(hù)、監(jiān)控電池各個(gè)模塊，肩負(fù)著防止電池過(guò)充過(guò)放電、延長(zhǎng)電池使用壽命、幫助電池正常運(yùn)行的重任。
 
       電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載電池和電動(dòng)車的重要紐帶，它主要的功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制均衡管理、熱管理等等。以上哪個(gè)功能實(shí)現(xiàn)不好，都會(huì)讓電池出現(xiàn)致命的危害。
      主流BMS配套企業(yè)都有哪些？
 
       讓我們來(lái)看看目前主流國(guó)產(chǎn)純電汽車的BMS分別是由哪些廠家提供的？
 
       BMS作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機(jī)的重要紐帶，是動(dòng)力電池組的核心技術(shù)，也是衡量一部純電動(dòng)整車性能的最為重要的指標(biāo)。
 
       BMS系統(tǒng)自身的復(fù)雜性決定了它具有很強(qiáng)的技術(shù)壁壘，需要技術(shù)研發(fā)時(shí)間，它的成本約占電池組總成本的20%左右。
 
       我國(guó)BMS企業(yè)大體分為幾種類型： 電池廠自營(yíng)、整車廠自營(yíng)、第三方經(jīng)營(yíng)。
 
       電池廠自營(yíng)類的，目前國(guó)內(nèi)第一梯隊(duì)動(dòng)力電池企業(yè)有：寧德時(shí)代、中信國(guó)安盟固利、國(guó)軒高科、微宏動(dòng)力等，它們掌握整套核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；
 
       整車廠自營(yíng)的，以比亞迪、北汽新能源、中通客車為代表，除了掌握核心技術(shù)，在成本方面也比其他企業(yè)有優(yōu)勢(shì)；
 
       第三方提供的代表企業(yè)有東莞鉅威動(dòng)力、惠州市億能電子、深圳科列技術(shù)等企業(yè)。
 
       下面讓我們來(lái)看看目前在為主流新能源車型配套BMS的企業(yè)排名（2019年9月新能源汽車BMS裝機(jī)量TOP20），我們所購(gòu)買的大部分國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)車的BMS來(lái)自這些企業(yè)，看完這個(gè)裝機(jī)量數(shù)據(jù)，相信對(duì)你的選購(gòu)純電動(dòng)汽車也會(huì)有不少幫助。
       BMS的功能有多重要？
 
      BMS是電動(dòng)汽車的命之脈！
 
       BMS是連接電池和整車的紐帶，它處理的信號(hào)足夠豐富，它們包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。一次過(guò)放電就會(huì)造成電池的永久性損壞，極端情況下鋰電池過(guò)熱或者過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以，BMS要進(jìn)行嚴(yán)格的控制充放電，避免過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱。
 
       電池在不同的溫度下會(huì)有不同的工作性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為25-40度。BMS通過(guò)均衡改善不一致性，提升鋰電池整體性能。
       電動(dòng)車以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來(lái)源，源于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢(shì)，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時(shí)電量存在細(xì)微差異，且隨著操作環(huán)境改變等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過(guò)充或過(guò)放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問(wèn)題。
 
       通過(guò)BMS能準(zhǔn)確量測(cè)電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過(guò)度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計(jì)算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為可理解的續(xù)航力信息，確保動(dòng)力電池安全運(yùn)作。
 
      BMS之爭(zhēng)：特斯拉Model 3 PK雪佛蘭Bolt
 
       如果沒(méi)有好的BMS，電動(dòng)汽車就是一塊移動(dòng)炸彈！
 
       電池管理系統(tǒng)的主要目的就是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，從安全性、耐久性、動(dòng)力性三個(gè)方面提供作用。安全性方面，BMS電池管理系統(tǒng)能保護(hù)電池單體免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；耐久性方面，BMS電池管理系統(tǒng)能使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長(zhǎng)電池的使用壽命；動(dòng)力性方面，將電池的工作狀態(tài)維持在滿足車輛要求的情況下。
 
       特斯拉的電池管理系統(tǒng)是當(dāng)今最成熟的系統(tǒng)。它得益于深度學(xué)習(xí)和人工智能的充分應(yīng)用，特斯拉的BMS可以不斷獲得實(shí)際駕駛的大數(shù)據(jù)，然后對(duì)算法進(jìn)行自我強(qiáng)化，從而使特斯拉電池組的續(xù)航時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。
 
       下面我們以特斯拉Model3為例，羅列一下它的BMS的五大特性：
 
       1.4416顆低容量的小電池支撐起75kWh的系統(tǒng)，大量的小電芯讓電池系統(tǒng)更穩(wěn)定。
 
       2.雖然電池是采購(gòu)的，但是特斯拉自己研制管理系統(tǒng)，可對(duì)每一顆電芯進(jìn)行溫度管理。
 
       3.采用兩階段法進(jìn)行電芯平衡，獲得更高的電池利用效率，具備了相對(duì)較低的衰減速度。
 
       4.特斯拉通過(guò)使用不導(dǎo)熱材料和嵌入溫度計(jì)，降低NCA電池的相對(duì)易燃性。
 
       5.特斯拉積累BMS相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：駕駛、充電、電池溫度、電池容量變動(dòng)等等。
 
       特斯拉BMS的五大特性帶來(lái)了很多的優(yōu)勢(shì)：
 
       1.大多數(shù)電動(dòng)汽車在4-8年內(nèi)電池容量下降至80%以下，而大多數(shù)特斯拉保持90%以上。
 
       2.特斯拉BMS有很高的風(fēng)險(xiǎn)容忍度，最大限度利用大數(shù)據(jù)來(lái)維護(hù)和管理大量的電芯。
 
       3.特斯拉系統(tǒng)可使用相同的電池來(lái)滿足轎車、卡車、跑車、SUV或其他類型汽車。
 
       除了明顯的優(yōu)點(diǎn)，特斯拉電池包的弱點(diǎn)也很明顯：
 
       1.電芯的安全性相對(duì)較差：Model S和 Model X都發(fā)生過(guò)多起燃燒事故，新款的Model 3的所有電芯都用阻燃材料做了固定，相對(duì)難以燃燒。
 
       2.模組更換成本高：壞一些電芯不會(huì)影響電池包整體性能，但模組損壞了更換成本更貴。
 
       3.有瞬間失控的風(fēng)險(xiǎn)：一旦出現(xiàn)短暫電力缺失，電力控制系統(tǒng)不能及時(shí)激活，會(huì)使安全保護(hù)和溫度控制的功能失效。
 
       在美國(guó)新能源汽車銷量榜上，除了特斯拉遙遙領(lǐng)先之外，就是雪佛蘭的Bolt了。與特斯拉的BMS相比，雪佛蘭Bolt的BMS有如下特點(diǎn)：
 
       1.Bolt BMS中監(jiān)控電壓及溫度的芯片非自己研發(fā)，是LG化學(xué)設(shè)計(jì)，交由ST微電子生產(chǎn)。
 
       2.Bolt有25個(gè)BMS MCUs , Model 3有18個(gè)。
 
       3.Bolt只有單階段電芯平衡，如果增加電池容量，會(huì)造成電芯平衡精確度失衡，從而衰減速度更快。
 
       綜合而言，我們完全可以得出這樣的結(jié)論：特斯拉的BMS確實(shí)是非常優(yōu)秀的。
 
       電池的熱管理系統(tǒng)有多重要？風(fēng)冷、液冷、直冷都哪些車企在使用？
 
      冬天來(lái)了，純電動(dòng)車們?cè)趺崔k？
 
       有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛電動(dòng)車在較惡劣工況下(尤其在冬季低溫)開(kāi)空調(diào)情況下,其將影響整車?yán)m(xù)航能力的40%以上。所以，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動(dòng)汽車的綜合管理能量就顯得尤為重要。這里我們就把新能源車的熱管理系統(tǒng)做一下詳細(xì)的介紹。
 
       根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同， 電池的熱管理系統(tǒng)可分為風(fēng)冷、直冷、液冷。液冷相對(duì)直冷成本更低，冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷，目前具備主流應(yīng)用的趨勢(shì)。新能源汽車熱管理系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程和電池壽命有決定性的影響。
 
       新能源汽車熱管理的重點(diǎn)對(duì)象是空調(diào)系統(tǒng)、電池包管理系統(tǒng)、電機(jī)電控管理系統(tǒng)等。電池工作的最適宜溫度在0-38°C之間，此時(shí)不需要加熱也不需要冷卻，過(guò)高或過(guò)低的溫度都將導(dǎo)致電池壽命有更快的衰減。所以，需要對(duì)電池進(jìn)行均溫管理。
 
       不同類型的車型所采取的熱管理系統(tǒng)是不同的，熱管理的本質(zhì)是降溫、保溫、升溫這三種策略。目前新能源車型的熱管理系統(tǒng)以降溫冷卻為主。根據(jù)冷卻介質(zhì)來(lái)區(qū)分，效率和成本相對(duì)低的有風(fēng)冷和液冷。風(fēng)冷是新能源熱管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用，在早期的電動(dòng)乘用車上有廣泛的應(yīng)用。而液冷是當(dāng)前應(yīng)用最廣的新能源熱管理系統(tǒng)，它通過(guò)液體對(duì)流換熱方式將電池產(chǎn)生熱量帶走以達(dá)到降溫目的。國(guó)內(nèi)外的經(jīng)典型寶馬i3、特斯拉、雪佛蘭Volt、之諾、吉利帝豪等車型都采取這種技術(shù)路線。
 
       還有一種應(yīng)用于中高端車型的直冷，它是利用制冷劑蒸發(fā)潛熱的原理，在整車或電池系統(tǒng)中建立空調(diào)系統(tǒng)，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)并快速高效地將電池系統(tǒng)的熱量帶走，從完成對(duì)電池系統(tǒng)冷卻的作業(yè)。寶馬i3有液冷、直冷兩種冷卻方案。直冷方式功率最高，但是控制策略最難做，更適合高續(xù)航和快充的要求，液冷次之。
 
       風(fēng)冷適用于小型功率和良好工況下使用, 目前國(guó)內(nèi)上市的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾矸桨钢校逼�、眾泰、吉利等車型的電池包還處于風(fēng)冷技術(shù)狀態(tài)。
 
       新能源車的熱管理系統(tǒng)包括：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、汽車空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)、減速器冷卻系統(tǒng)。上面我們講了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的不同應(yīng)用，下面還有一個(gè)跟冬天最相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題：冬天到底要不要開(kāi)空調(diào)取暖？
 
       在北方，很多車一到冬天，續(xù)航里程就大幅降低，為了保證續(xù)航只能不開(kāi)空調(diào)制熱，駕乘體驗(yàn)可以說(shuō)是差極了！ 下面對(duì)比幾個(gè)品牌的熱泵熱管理系統(tǒng)和它們是如何在冬天讓車主感到舒適的。
 
       電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)制熱功能主要由電加熱器， 可是直接用電加熱得到熱量的話會(huì)大大降低電池的電量和行駛里程。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)冬季行駛時(shí)打開(kāi)基于電加熱的空調(diào)制熱功能時(shí)，幾乎一半的電量都用于制熱了，僅剩一半的電量用于行駛。
 
       在熱泵熱管理系統(tǒng)中，把熱量從溫度低的地方搬用到溫度高的地方。在夏季，熱泵系統(tǒng)把車內(nèi)的熱量搬向車外，從而達(dá)到制冷效果。在冬季，熱泵系統(tǒng)把車外的熱量送到車內(nèi)。
 
       具體的過(guò)程是這樣的：
 
       1.熱量從環(huán)境中被吸取進(jìn)熱泵系統(tǒng)；
 
       2.熱量被壓縮并被加熱；
 
       3.熱量被用來(lái)加熱車廂內(nèi)的冷空氣并使其升溫；
 
       4.加熱后的空氣被送入車廂內(nèi)；
 
       5.減壓后的熱量被轉(zhuǎn)化成低溫?zé)崃颗懦鲕囃狻?/div>
 
       相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加熱技術(shù)，熱泵空調(diào)的能耗會(huì)降低大約50%。這樣在冬季開(kāi)暖風(fēng)的情況下，可以提升大概10-15%的續(xù)航里程，這對(duì)于目前普遍在300-500公里范圍內(nèi)續(xù)航的車輛們，這個(gè)空調(diào)還真是在關(guān)鍵時(shí)刻續(xù)上命了。
 
       那么現(xiàn)在都有哪些電動(dòng)車型使用了熱泵系統(tǒng)呢？雖說(shuō)搭載熱泵空調(diào)的車型并不多，但在我們身邊也并不完全沒(méi)有，從十幾萬(wàn)區(qū)間到百萬(wàn)元區(qū)間，都可以找到搭載熱泵空調(diào)的車型，這包括了大眾、奧迪、雷諾、寶馬、上汽榮威等品牌。
 
       這里要最后說(shuō)明的是，熱泵空調(diào)并不是萬(wàn)能的，在-5攝氏度以下的室外溫度環(huán)境下，熱泵的效率就不太高了。這時(shí)候我們能做的，就只有即時(shí)充電了！
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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