范智喻

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引言

隨著我國(guó)躋身世界第二大經(jīng)濟(jì)體同時(shí)經(jīng)濟(jì)體量的持續(xù)增加以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的不斷提升，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)也得到了飛速發(fā)展。從2009年開(kāi)始，我國(guó)汽車產(chǎn)量和銷量均處于世界第一[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，汽車產(chǎn)業(yè)都是石油的主要“消費(fèi)者”，然而我國(guó)石油對(duì)外的高度依賴性以及石油的不可再生性使得我國(guó)的石油資源供給一直處于緊張狀態(tài)。此外，傳統(tǒng)汽車的尾氣排放也導(dǎo)致我國(guó)面臨著嚴(yán)峻的空氣污染問(wèn)題，同時(shí)還嚴(yán)重威脅著人類的身體健康。

為了積極應(yīng)對(duì)排放污染和石油危機(jī)問(wèn)題，世界各國(guó)陸續(xù)的出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)來(lái)限制汽車尾氣的排放并積極推廣和應(yīng)用新能源汽車。新能源汽車作為當(dāng)下緩解石油緊張和減少汽車尾氣污染的主要解決手段，中國(guó)已經(jīng)出臺(tái)了多項(xiàng)惠民政策來(lái)支持新能源汽車的發(fā)展，使得新能源汽車走進(jìn)千家萬(wàn)戶。加之政府對(duì)新能源汽車補(bǔ)貼政策的不斷升級(jí)[2]，我國(guó)新能源汽車發(fā)展迅速，在全球疫情的持續(xù)考驗(yàn)下2021年，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)再度進(jìn)入高速增長(zhǎng)的階段。據(jù)中汽協(xié)預(yù)計(jì)，中國(guó)新能源汽車在過(guò)去一年的銷量有望達(dá)到340萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)160%，超出預(yù)期。我國(guó)已連續(xù)六年位居世界首位，成為全球第一的新能源汽車市場(chǎng)。招商證券發(fā)布了《新能源汽車將迎全球放量，上游供需持續(xù)吃緊》的研究性報(bào)告，報(bào)告中顯示2025年總量或達(dá)1650萬(wàn)輛。

得益于新能源汽車的蓬勃發(fā)展，作為新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ?，鋰電池行業(yè)正在快速崛起[3]。在2021年1月至11月，全球動(dòng)力電池裝機(jī)量為250.8 GWh，同比增長(zhǎng)112%。其中，寧德時(shí)代以79.8GWh的電池裝機(jī)量位居第一，市場(chǎng)占有率達(dá)到31.8%；LG和松下分列第二、三名，裝機(jī)量分別為51.5GWh和31.3GWh。目前全球前十動(dòng)力電池廠商分別是：寧德時(shí)代、LG、松下、比亞迪、SKI、三星SDI、中創(chuàng)新航(中航鋰電)、國(guó)軒高科、億緯鋰能、欣旺達(dá)。其中有6家中國(guó)企業(yè)上榜。

新能源汽車和鋰電池的迅速發(fā)展給電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)的發(fā)展帶來(lái)重大機(jī)遇[4]。據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2020—2026年中國(guó)電池管理系統(tǒng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析及投資趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，到2025年我國(guó)的BMS市場(chǎng)可達(dá)到500億元的規(guī)模。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)大觀研究(Grand View Research)的新報(bào)告，到2025年全球BMS市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)111.7億美元(約合人民幣768.4億元)。

在電子產(chǎn)品消費(fèi)的時(shí)代，單個(gè)電子產(chǎn)品由于自身個(gè)體小所以使用電池?cái)?shù)量少容量也較小，通常BMS隸屬于電池PACK廠商；早在2008年之前，新能源汽車剛進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，因?yàn)閷?duì)BMS有較高的技術(shù)要求，所以研發(fā)生產(chǎn)往往以整車制造廠或者電池PACK廠商自主開(kāi)發(fā)為主。最近幾年，隨著頻頻發(fā)生的新能源汽車電池安全事故，使得對(duì)BMS的重視程度進(jìn)一步加深。目前，已成為新能源汽車三大核心技術(shù)之一，BMS也被大家形象地比作動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”。由于BMS對(duì)新能源汽車安全性起著至關(guān)重要的作用，也使得該行業(yè)持續(xù)吸引著更多優(yōu)秀企業(yè)的加入。

2 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)

國(guó)際BMS市場(chǎng)主要參與者為整車企業(yè)、汽車零部件企業(yè)以及電池企業(yè)。在大型整車廠這一塊，國(guó)際中的一些車企“領(lǐng)頭羊”不靠與外界合作，選擇自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)BMS，代表性的車企有特斯拉、本田、現(xiàn)代等。以特斯拉BMS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超7000節(jié)21700號(hào)電池統(tǒng)一管理，達(dá)到安全性和有效性的目的，而在電池快速冷卻、安全、電荷平衡等技術(shù)方面都是首屈一指，特斯拉申請(qǐng)的核心專利超過(guò)140項(xiàng)，所以特斯拉將BMS技術(shù)納入自己品牌的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。在整車控制和參數(shù)匹配方面整車廠有著更深的理解，同時(shí)憑借自身強(qiáng)大的資金實(shí)力和成熟的技術(shù)積累來(lái)自主研發(fā)和自身產(chǎn)品需求相匹配的BMS，如特斯拉、豐田Prius、日產(chǎn)Leaf、通用Volt等采用的BMS都是整車廠主導(dǎo)研發(fā)的。在專業(yè)BMS廠商方面，如Denso(電裝)、Preh(普瑞)的傳統(tǒng)汽車零部件廠商依靠在整車廠供應(yīng)鏈中重要技術(shù)手段，已拔得頭籌。Denso(電裝)是豐田汽車最重要的零部件供應(yīng)商，前后為豐田Prius、豐田Camry Hybrid等熱門車型提供電池管理系統(tǒng)；而Preh(普瑞)則主要為寶馬I系純電動(dòng)車服務(wù)。

目前，我國(guó)BMS雖然企業(yè)也有上百家，但技術(shù)優(yōu)勢(shì)較國(guó)外相比并不明顯，表現(xiàn)出“多而不強(qiáng)”的分布特點(diǎn)。在核心技術(shù)上存在兩極分化現(xiàn)象，且大多數(shù)企業(yè)處于同一水平競(jìng)爭(zhēng)，主要游走于中低端市場(chǎng)。此外,因?yàn)榧夹g(shù)參數(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失導(dǎo)致與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)存在差距，同時(shí)還缺少較為權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)BMS產(chǎn)品進(jìn)行行業(yè)認(rèn)證，使得現(xiàn)有的BMS產(chǎn)品良莠不齊。

總的來(lái)看，我國(guó)BMS市場(chǎng)參與者主要分為三類：動(dòng)力電池企業(yè)、整車企業(yè)、專業(yè)第三方BMS企業(yè)，而且短期內(nèi)第三方BMS企業(yè)依舊為市場(chǎng)主流。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，裝備整車廠和電池企業(yè)相互滲透是一種趨勢(shì)，行業(yè)將掀起新的一輪整合潮，伴隨的將是市場(chǎng)集中度的提升。

國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的起步相對(duì)國(guó)外較晚，但后勁十足，目前，國(guó)內(nèi)致力于BMS研究工作的企業(yè)、研究所以及高校有很多，已經(jīng)成功研發(fā)出一些電池管理系統(tǒng)。如：北京交通大學(xué)與惠州億能電子合作開(kāi)發(fā)的BMS成功應(yīng)用在北京奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)大巴上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)聯(lián)合成立的哈爾濱冠拓公司研發(fā)的BMS被推廣應(yīng)用在一些國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車品牌上。但由于許多關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸還尚未突破，使得已經(jīng)裝車運(yùn)行的BMS與整車一起使用的電池之間存在匹配度不高、排異性現(xiàn)象，對(duì)BMS來(lái)講在國(guó)內(nèi)仍還有很大的提升空間。當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，而B(niǎo)MS作為電池關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)階段雖有較大突破和研究成果，但在技術(shù)上仍有如下完善的地方。

一是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池SOC(電池荷電狀態(tài))依舊是日后關(guān)注的重點(diǎn)；二是電池包如何均衡在當(dāng)下依然是一個(gè)困擾的問(wèn)題，急需提出有效方案，對(duì)電池包做一個(gè)高效綜合的電池均衡測(cè)試；三是BMS的安全性能更是關(guān)注的焦點(diǎn),尤其是熱管理系統(tǒng)避免電池起火是保障BMS安全性能的重中之重，這將是今后的研究方向。

雖然與整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)相比，我國(guó)BMS的研發(fā)及生產(chǎn)還處于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化初期，技術(shù)水平與國(guó)外主流廠商還有差距，但隨著業(yè)內(nèi)人士以及資本市場(chǎng)對(duì)該領(lǐng)域關(guān)注度不斷提升，未來(lái)上升空間極大。

3 未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

車企與專業(yè)BMS公司整合的經(jīng)營(yíng)模式將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展新的風(fēng)向標(biāo)。核心技術(shù)與綜合服務(wù)之間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)給行業(yè)內(nèi)并購(gòu)整合激發(fā)更多機(jī)會(huì)。整車企業(yè)、電芯企業(yè)、PACK企業(yè)和BMS公司均在BMS業(yè)務(wù)領(lǐng)域加快了布局步伐。BMS市場(chǎng)未來(lái)細(xì)化分工已成必然，核心競(jìng)爭(zhēng)力在于算法的融合，因?yàn)閱我凰惴ㄒ巡辉僬純?yōu)而開(kāi)發(fā)新算法又相對(duì)困難，算法融合是最快的途徑，相同的BMS軟件可以應(yīng)用于不同車型，減少資金成本。同時(shí)出臺(tái)更嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證制度將對(duì)提升安全具有重要意義。

實(shí)現(xiàn)完備功能的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要各方的不斷努力，包括優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、提高軟件的自適應(yīng)性和實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

4 市場(chǎng)環(huán)境

4.1 宏觀統(tǒng)籌

繼2017年“雙積分”政策要求整車企業(yè)生產(chǎn)銷量一定新能源汽車比例后，工信部宣布正式啟動(dòng)面向2035年新能源汽車規(guī)劃。為推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)可以更好更快發(fā)展，工信部組織召開(kāi)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》編制工作啟動(dòng)會(huì)。工信部方面表示，到2035年新能源汽車規(guī)劃是為下一階段我國(guó)新能源汽車發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。規(guī)劃編制工作中，要以新能源汽車高質(zhì)量發(fā)展為主線，探索新能源汽車與能源、交通、信息通信等深度融合發(fā)展的新模式。

2021年3月，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，我國(guó)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在關(guān)鍵時(shí)期，要著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、兼顧當(dāng)下，補(bǔ)齊短板、強(qiáng)化弱項(xiàng)，營(yíng)造創(chuàng)新環(huán)境，解決突出矛盾和問(wèn)題，推動(dòng)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)規(guī)范健康持續(xù)發(fā)展；實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕、踏石有印的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)[5]。新能源汽車作為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主力軍之一，新能源汽車為生態(tài)可持續(xù)發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。

4.2 財(cái)稅優(yōu)惠

根據(jù)《財(cái)政部稅務(wù)總局工業(yè)和信息化部關(guān)于新能源汽車免征車輛購(gòu)置稅有關(guān)政策的公告》(財(cái)政部公告2020年第21號(hào))第一條規(guī)定，自2021年1月1日至2022年12月31日，對(duì)購(gòu)買新能源汽車的車主免征車輛購(gòu)置稅。并且在2020年3月31日國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議確定將新能源汽車購(gòu)置補(bǔ)貼和免征購(gòu)置稅政策延長(zhǎng)兩年。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

在《2021—2027年中國(guó)電動(dòng)汽車充電樁行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》中的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年1月，總計(jì)上報(bào)公共類充電樁41.2萬(wàn)臺(tái)，其中交流充電樁21.8萬(wàn)臺(tái)、直流充電樁18.9萬(wàn)臺(tái)、交直流一體充電樁0.5萬(wàn)臺(tái)。2021年1月同比增長(zhǎng)44.8%。在《2020—2021年度中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展報(bào)告》中的數(shù)據(jù)顯示：報(bào)告顯示，2020年，我國(guó)公共充電樁累計(jì)實(shí)現(xiàn)充電70.57億kWh，在疫情影響下仍然接近上一年充電電量。截至2021年10月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量為258.9萬(wàn)臺(tái)，車與樁之比達(dá)到3.5∶1。隨著新能源汽車市場(chǎng)占比的增加，基礎(chǔ)充電設(shè)施將會(huì)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

5 市場(chǎng)痛點(diǎn)

BMS主要是一套保護(hù)動(dòng)力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過(guò)必要措施緩解電池包的不一致性，為新能源車輛的使用安全提供保障。目前市場(chǎng)上的BMS存在很多不足，使得近年來(lái)電動(dòng)汽車事故頻頻發(fā)生。同時(shí)電池組還存在冬天啟動(dòng)困難、電池剩余壽命短、SOC跳變和剩余里程估計(jì)不準(zhǔn)確等使用問(wèn)題。

根據(jù)2021年2月中國(guó)最大充電運(yùn)營(yíng)商“特來(lái)電”與《電動(dòng)汽車觀察家》聯(lián)合發(fā)布的“2020年電動(dòng)汽車起火事故分析”數(shù)據(jù)顯示，2020年1月至12月之間，被媒體所報(bào)道的電動(dòng)汽車著火事件共124起。其中，比亞迪是發(fā)生起火事故最多的車企，共有13起；排名第二的是廣汽新能源，共有8起；接下來(lái)是北汽新能源，共6起事故。特斯拉Model S出現(xiàn)的次數(shù)最多，共有4次起火案例，緊隨其后的是蔚來(lái)ES8、北汽威旺407EV，各自有3起起火案例。

除此之外，全國(guó)每年平均發(fā)生兩輪電瓶車火災(zāi)約2000起，電動(dòng)自行車的其失火率已達(dá)到萬(wàn)分之一。電動(dòng)汽車和兩輪電動(dòng)車電池故障中因?yàn)殡姵貑?wèn)題導(dǎo)致自燃等失火事故的占74%，電動(dòng)車的火災(zāi)事故不僅造成了財(cái)產(chǎn)損失，還威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。

6 風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避

一個(gè)可靠的BMS可以有效地解決上述的問(wèn)題，電池管理系統(tǒng)的核心是算法，得益于現(xiàn)今大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的興起和芯片技術(shù)的突破，越來(lái)越多的機(jī)器學(xué)習(xí)算法被應(yīng)用到了電池管理系統(tǒng)上估算電池的SOC、健康狀態(tài)(SOH)、能量狀態(tài)(SOE)和功率狀態(tài)(SOP)，用于提升BMS的性能。在電池管理系統(tǒng)中最常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和以此為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)，只需要通過(guò)海量的汽車電池?cái)?shù)據(jù)建立并訓(xùn)練動(dòng)力電池參數(shù)與SOC、SOE、SOH和SOP之間的映射網(wǎng)絡(luò)，最終得到比較精確的結(jié)果，由于不用考慮電池的詳細(xì)信息，所以該方法具有普遍適用性。

此外，隨著通信技術(shù)及車車(V2V)、車云(V2C)、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)等車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，借勢(shì)產(chǎn)生了一系列的政府及企業(yè)新能源汽車監(jiān)管平臺(tái)，這產(chǎn)生將為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供有力支撐。目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，新能源汽車和大數(shù)據(jù)的融合是未來(lái)大趨勢(shì)，也是我國(guó)汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略重點(diǎn)方向。

相信在國(guó)家政策的引導(dǎo)下、在技術(shù)的不斷提升下新能源汽車的銷量會(huì)持續(xù)上升，相應(yīng)的配套設(shè)施和應(yīng)用技術(shù)會(huì)不斷地提升，BMS將會(huì)更加的完善，使得其應(yīng)用在更寬廣的領(lǐng)域和平臺(tái)。