撰文/N.E.S 張凱

新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)：BMS的現(xiàn)狀與未來

撰文/N.E.S 張凱

手機電池過熱而導致的卡頓、死機現(xiàn)象大多數(shù)人都經(jīng)歷過，對于電動汽車而言，關(guān)乎車內(nèi)乘員安全的它能卡頓、死機嗎？答案顯然是不能。然而不幸的是，因動力電池過熱導致的車輛起火事件頻發(fā)，其中一個重要的原因就是電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，為什么BMS這么重要又時常被忽略？

BMS——電動汽車的心臟

作為電動汽車“三電”系統(tǒng)中的重要一員，更有人它比作汽車的心臟。電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證電組工作在安全區(qū)間內(nèi)，提供車輛控制所需的必需信息，出現(xiàn)異常時及時響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS的主要功能電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線故障診斷、充電控制自動均衡、熱管理等。通俗地講，就是一套管理、控制、用電池組的系統(tǒng)。

BMS——電動汽車如何依賴它

充、放電溫度等一系列熱相關(guān)的問題，決定了動力電池的性能、安全性、壽命及使用成本。究其原因，電池的工作溫度會直接影響其使用中的能量與功率性能。當溫度較低時，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，比如在過低溫度下（如低于0°C）對電池進行充電，則可能引發(fā)瞬間的過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰進而引發(fā)短路。也就是說，動力電池的熱相關(guān)問題將直接影響電池的安全性。

生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用環(huán)境復雜等，都可能造成電池局部過熱，最終造成車輛冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件，威脅到車輛乘員的生命安全。另外，動力電池的工作或存放溫度也影響著它的使用壽命，例如動力電池適宜的工作溫度區(qū)間約在10—30°C之間，過高或過低對電池的正常使用壽命而言，有很大的不利因素。當前我們還需要關(guān)注的是，動力電池的不斷革新使得其表面積與體積之比相對減小，弊端是電池內(nèi)部熱量不易散出，以及可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均，這些因素會進一步加速電池衰減，縮短電池壽命，對于用戶而言，后期用車成本反而會增加。

在充電的過程中，鋰電芯充電壓如果高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格通常會損壞，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。由于負極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，此時如果繼續(xù)充電，鋰金屬便會堆積于負極材料表面，這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶，這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。另外，過充狀態(tài)下的電解液等材料會裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，氧氣進入后與堆積在負極表面的鋰原子反應(yīng)，有時在短路發(fā)生前電池就會爆炸。

因此，鋰電池在充電時，只有設(shè)定電壓上限，才能保證電池的壽命、容量、和安全性，其最理想的充電電壓上限為4.2V。同樣，鋰電芯放電時也要有電壓下限，當電芯電壓低于2.4V時，由于電池會自放電，隨著放電時間的積累電壓隨之下降，部分材料開始被破壞。因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也很必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會大量聚集于材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，即鋰離子在充放電的過程中通過電解液穿過隔膜不停地在正負兩極之間循環(huán)流動，循環(huán)次數(shù)便取決于鋰離子的質(zhì)量好壞，控制好循環(huán)次數(shù)，就可以反復充電而不減少容量，否則就會讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降，甚至爆炸。

對于電芯而言，由于制造工藝的問題和材質(zhì)的不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率、連條、隔板等存在很微小的差別，這會導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致。鋰電池單體如果過大，使用過程中容易產(chǎn)生高溫，產(chǎn)生安全隱患，大容量電池必須通過串并聯(lián)的方式形成電池組。對于單體電池而言，基本不可能做到性能一致，再加上使用環(huán)境的影響，均會造成電池壽命的差別，大大影響整個電池組的壽命和性能。串聯(lián)就好比木桶效應(yīng)，高度最低的那根木板影響整個水桶的裝水量，即其中一個電芯的性能下降就會影響整個電池組的性能，嚴重的將造成整體更換。

實際使用中，由于電池組中各個電池單體的電解液密度、溫度和通風條件、自放電程度及充放電過程等差別的影響，造成同一類型、規(guī)格的電池在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)值存在差別，搭載在電動汽車后，性能指標往往達不到單體電池的原有水平，嚴重影響其在電動汽車上的應(yīng)用。

所以，鋰電池需要BMS嚴格控制充放電過程，避免過充，過放，過熱。同時，這也是提高使用性能、安全性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。在電動汽車日以激增的中國，自主品牌的電動汽車產(chǎn)品也越來越多，對于BMS的需求量也會隨之增加。

BMS——當前發(fā)展形勢

當前，電池管理系統(tǒng)供應(yīng)商呈現(xiàn)四大類型：專業(yè)的BMS廠商、主機廠、電池廠商，以及綜合型汽車零部件企業(yè)。其中，主機廠生產(chǎn)的BMS裝機量約占總量的28%，電池廠生產(chǎn)的BMS裝機量份額約為12%，專業(yè)的BMS廠商約占據(jù)60%的份額。

BMS商業(yè)模式的發(fā)展趨勢是專業(yè)廠商與整車企業(yè)之間的合作，整車企業(yè)有車輛運行參數(shù)，這對于BMS廠商而言是其所缺乏的，BMS與整車控制器之間的數(shù)據(jù)交換是電動汽車正常工作的關(guān)鍵因素，兩者形成緊密的合作關(guān)系，會使BMS公司在數(shù)據(jù)獲取方面得到便利，使技術(shù)得到更好的發(fā)展，也能讓整車企業(yè)的技術(shù)隨之提高。