恩智浦实力诠释:更安全更耐用的电动汽车,需要什么样的BMS?

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BMS被称为汽车电池的“调音师”,是释放动力电池性能的关键因素,随着纯电动汽车逐渐普及,BMS面临着新的使命。
 
电动汽车要得到广泛普及,性价比直接对标传统燃油车,高性价比是电动汽车打动用户的制胜法宝。当前市场对电动车成本下探的压力无比巨大,生产企业想方设法节省成本。
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日前在接受媒体采访时,恩智浦大中华区汽车模拟器件产品市场高级经理朱玉平先生表示,“作为芯片厂商,不但需要研发更低成本的器件,更要从电动汽车发展的角度思考问题,研发出能够优化BMS产品架构的革命性产品,以帮助客户节省成本。这一点,需要芯片厂商对BMS应用有深刻的理解才能做到。”
 
据预测,到2030年全球近半数新生产的汽车将电动化(包括纯电,插电混动以及微混),电动车的普及使得市场上电动汽车的保有量逐渐增加,基数增加后,电动汽车的可靠性和耐用性将是各个厂家面临的主要挑战之一。
 
与传统燃油车成熟的ECU技术相比较,电动汽车是新事物,历史短、样本小、积累有限。芯片厂商如何能从器件角度为整车的可靠耐用性提供保障是非常关键的一点。
 
BMS如何改善电动汽车续航和充电时间
 
相对燃油汽车,续航里程短、充电时间长一直是电动汽车的痛点,关于BMS对于续航里程和充电时间的改善,朱玉平表示:“抛开其他因素,先进的电动汽车的BMS电池管理系统在一定程度上有助于提升电动汽车续航里程和缩短充电时间。”
 
他解释BMS的作用主要体现在三个方面:
1.
高精度的检测能力,包括电池电压、电流、温度等指标,有助于BMS对电池状态的精确把握,有利于系统对电池SOC和SOH的测算准确度,提升电池电量监控精度,从而影响到最终的续航里程和充放电时间。因为充放电的电流大小和电量控制受测量精度直接影响,而充电电流大小直接影响充电时间。
2.
电池的均衡方式和均衡策略,目前大部分电动汽车采用被动均衡方式来保持串联电池电量在多次循环充放后的电量一致性。良好的均衡算法和策略可以有助于所有电芯在不过多主动放电的情况下,保持电量的一致性,从而延长续航里程。
3.
通过采用模型预测控制算法来管理电池电量,最大限度提升电池利用效率,从而增加续航里程。预测控制算法可综合整个电动汽车的用电充电模型,电池自生的模型,综合考虑来给VCU提供参考建议从而实现效率提升。不过由于建模控制需要较大的CPU算力,现在还未太普遍。
 
 
提升测量精度和算法,确保电动汽车安全
 
 
电动汽车安全问题一直受到用户关注, 受化学和物理特性所限,目前电动汽车电池的电压、电流、温度等参数需要实时、严密、精确的监控,才能有效避免电池自燃事故发生。
 
由于温度等参数的检测有时间延后性,外加电池模型参数随着使用时间会变化,传统的BMS一般通过给系统留出足够的余量来确保电池处于安全工作区。更先进的BMS可以通过提升测量精度和算法来扩大电池的安全工作区,从而在保障电池安全的前提下,增加续航里程,加快充电时间,并延长使用寿命。
 
关于恩智浦的汽车解决方案,朱玉平介绍:“恩智浦可以为客户提供包括符合功能安全的电源Power SBC,主处理器MCU和模拟前端采样芯片AFE的整套方案,方案支持用户产品达到AISL-C/D功能安全等级目标。Power SBC提供硬件冗余电源供给;带锁步核的MCU拥有多达70多项预防故障的安全机制,确保主处理器可靠运行;高精度测量AFE,可实现最高达0.8mV的测量精度,并且在业界率先对产品生命周期内的精度参数进行详细描述。
 
恩智浦在汽车电子领域有悠久的研发、生产、制造历史,以及强大的专业技术积淀,造就了卓越的符合车规的产品品质、可靠性和耐用性,从而保障了客户在大规模应用后的产品可靠性和低故障率。”
 
另外,BMS技术演进与电池技术发展和电动汽车架构变化高度相关。目前看来,有三大发展趋势:
第一,从离散的ECU控制向域控制发展,集中控制有利于汽车软件的在线升级和智能驾驶的发展。BMS的主控部分BMU,未来可能会交给动力域控制器来接管。
 
第二, 模拟采样前端AFE的通信方式由有线向无线发展,有利于简化和智能化电池包的生产、组装、维修、回收等环节。
 
第三,简化BMS采样板的设计。随着市场对电池包能量密度要求的日益提高,电池包内留给BMS的空间越来越小,如何简化设计,采用更少的器件,占用更小的空间,实现同样的功能,可能是行业努力的方向和趋势。
 
精确监控,延长电池寿命
 
 
对于电动汽车用户来说,自然希望电池寿命更长,从而可以降低使用成本,电动汽车厂商及方案商都在不断进行方案改进,来满足市场的需求。对于有哪些方式可以提高电池的使用寿命,朱玉平做了详细分析。
 
电池寿命除了以电池放电容量(电量)判定基准外,还有充放电功率、内阻抗和膨胀系数。除了通过包括新配方、新材料研发等在内的方法,电池的使用寿命与使用方法策略高度相关。
 
随着市场对电动汽车充电速度和续航里程有越来越高的要求,实际应用中,对电池的使用越来越接近其参数的极限,这一点对于电池寿命不利。大电流快充、快放、高温以及电池充放电电量阈值的拓展等都不利于延迟电量寿命。
 
单从BMS来讲,需要精确测量监控电池状态,并且通过先进的算法来给电池建模,从而尽最大可能确保电池工作在安全范围,这些措施包括:
电池热管理控制,确保各种工况下电池都处于合适的温度范围,通常电池的工作温度在-25~55℃之间,电池的最优工作温度在 25~35℃之间。
 
电池充放电倍率和放电深度控制,高的放电倍率导致电池严重极化,内阻升高,发热加剧。过度充放电都会导致电极材料的晶体结构遭到破环,平衡好这些参数对延长电池寿命至关重要。
 
传统的按照电池电流、电压、时间,通过类卡尔曼滤波和安时法来计算电池电量和实时内阻的测量方法,存在一定的误差和延后性,需要一种能实时直接检测电池内阻的方法来提高对电池状态监控的精确性,以期更精准的控制电池工况。
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