摘 要：隨著新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，電池管理系統(tǒng)作為整車關(guān)鍵控制器之一，對(duì)其功能及性能要求也與日俱增，因此電池管理系統(tǒng)自身軟硬件技術(shù)也產(chǎn)生新變革，衍生出相互獨(dú)立又可以互補(bǔ)融合的技術(shù)發(fā)展方向，本文從深挖電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能以及核心技術(shù)點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合在整車企業(yè)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及所遇到的問題，對(duì)這些技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行了比較研究，基于行業(yè)資源投入，給電池管理系統(tǒng)未來發(fā)展提出建議，從而讓新能源汽車的電池管理更加靈活、可靠且精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電池管理系統(tǒng) 軟硬件技術(shù) 未來發(fā)展

1 緒論

狹義的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）主要包括電池管理單元、單體電池管理單元、傳感器及線束等組成。廣義的BMS還包括高壓安全管理系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等[1]。BMS需要具備電池狀態(tài)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計(jì)、電池控制與保護(hù)、電池通信與診斷等功能。因此汽車BMS的設(shè)計(jì)開發(fā)需要進(jìn)行多方面研究，其中以下設(shè)計(jì)因素是保證產(chǎn)品性能的關(guān)鍵：為了最大限度地發(fā)揮電池性能同時(shí)又必須充分保證電池壽命，必須引入復(fù)雜的電池監(jiān)控電路，監(jiān)控電池單元的電壓與溫度，監(jiān)控由多個(gè)電池單元串聯(lián)而成的電池組的電壓與電流，平衡電池單元之間的電壓，并需要高頻傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，確保電池在驅(qū)動(dòng)和充電時(shí)高效、安全地工作；在高共模電壓和高達(dá)數(shù)百甚至上千安培開關(guān)瞬變的情況下，BMS必須對(duì)不同的電池單元進(jìn)行精確的測量，如電池單元電壓采集的精度必須達(dá)到毫伏級(jí)，采樣必須在嚴(yán)格的延遲時(shí)間范圍內(nèi)保持同步，否則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的效率，甚至?xí)?duì)電池本身產(chǎn)生不可能傷害；BMS系統(tǒng)還必須提供安全控制與保護(hù)機(jī)制，以能夠檢測出電池單元、線纜、連接、監(jiān)控電路和通信總線等的故障；與此同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)以上功能的同時(shí)還要求BMS具備較低功耗以減少對(duì)電池電量的消耗，同時(shí)避免加劇電池不平衡，所以檢測模塊和隔離電路的功耗應(yīng)盡可能低，甚至休眠功耗需達(dá)到mA級(jí)別。

此外，汽車BMS行業(yè)存在技術(shù)、整車廠商認(rèn)證、品牌、人才、服務(wù)五大壁壘，對(duì)BMS市場參與者提出更高要求。但隨著我國組織實(shí)施“十五”電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)等一系列研究項(xiàng)目開展，國內(nèi)BMS設(shè)計(jì)與國外一流公司差距逐漸縮小。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前我國BMS行業(yè)參與企業(yè)主要分為三種類型：電池制造商、汽車生產(chǎn)商、專業(yè)第三方BMS企業(yè)。而近幾年越來越多的大型整車廠和電池廠正在通過自行研發(fā)介入或通過合資方式來掌控BMS技術(shù)，部分技術(shù)實(shí)力相對(duì)較低的專業(yè)第三方BMS企業(yè)容易成為被并購的一方，專業(yè)第三方BMS企業(yè)的市場地位受到挑戰(zhàn)。隨著電池管理系統(tǒng)企業(yè)數(shù)量越來越多以及技術(shù)要求的升級(jí)，行業(yè)企業(yè)面臨著新一輪的洗牌風(fēng)險(xiǎn)[2]。

從BMS行業(yè)應(yīng)用市場來看，目前國內(nèi)的電池管理系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展主要聚焦在汽車動(dòng)力BMS、儲(chǔ)能電能BMS、消費(fèi)電子BMS等領(lǐng)域。根據(jù)中國電動(dòng)汽車百人會(huì)、鋰電大數(shù)據(jù)等資料，近幾年，在我國電池管理系統(tǒng)市場中，新能源汽車行業(yè)BMS的需求占比提升迅速，從2016年的37%增長到了2020年的54%；而相比較而言，儲(chǔ)能BMS和消費(fèi)電子BMS的市場占比則出現(xiàn)了下滑，2020年二者占比分別為24%和22%。而國內(nèi)高品質(zhì)汽車用BMS集中在少數(shù)幾家，2022年上半年出貨量排名前10的品牌中分布在專業(yè)第三方BMS企業(yè)4家，動(dòng)力電池廠商4家及整車企業(yè)2家。

3 BMS關(guān)鍵核心技術(shù)

（1）電池溫度、電壓是電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)，BMS是基于此類參數(shù)進(jìn)行處理和控制，例如可以通過溫度傳感器采集的溫度判斷電池是否處于過溫狀態(tài)，以評(píng)估是否需要啟動(dòng)保護(hù)。

（2）電池總壓的采集可以單獨(dú)設(shè)計(jì)高壓盒，也可復(fù)用模擬前端芯片采集端口。電流的采集可以使用霍爾傳感器、分流器。

（3）SOX估算統(tǒng)指電池狀態(tài)估計(jì)，包括SOC、SOE、SOH和SOP估計(jì)，是BMS的最核心算法功能。目前部分領(lǐng)先企業(yè)的精度水平最高可達(dá)3%左右，國內(nèi)一線BMS 廠家達(dá)5%左右，國內(nèi)二線BMS廠家為5%～10%左右。

（4）BMS充電控制方法取決于整車充電流程設(shè)計(jì)，其方法論主要有恒流充電、恒壓充電、恒功率充電三種。

（5）溫度影響電池的充電能力、放電性能、保持率、安全可靠性、電池壽命等，因此BMS熱管理控制功能在充放電過程中起著至關(guān)重要的作用。

（6）由于在電動(dòng)汽車中應(yīng)用的動(dòng)力電池往往是由多串電芯串聯(lián)而成，部分小容量電芯方案中還會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)組成，而電芯生產(chǎn)過程會(huì)存在原材料批次、工藝、電化學(xué)甚至生產(chǎn)環(huán)境的不一致性，即使這些差異在電芯初始狀態(tài)導(dǎo)致的性能差異不大，但隨著電池循環(huán)壽命的衰減及電池日歷壽命的減少，電芯之間的差異會(huì)越來越大，因此 BMS需要對(duì)不一致性的電芯進(jìn)行均衡。根據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn)，均衡技術(shù)可分為多種，被動(dòng)均衡管理由于成本低、復(fù)雜度和故障率低，被國內(nèi)外企業(yè)廣泛運(yùn)用，但主動(dòng)均衡管理效率較高，均衡電流大，能量耗散少，隨著熱風(fēng)險(xiǎn)和電路復(fù)雜逐漸克服，BMS有望向主動(dòng)均衡管理過渡[3]。

（7）診斷模塊可對(duì)BMS自身以及其對(duì)管理的電池功能進(jìn)行故障判斷及記錄上報(bào)，上報(bào)機(jī)制可根據(jù)需求定義為固定周期記錄，也可設(shè)計(jì)為觸發(fā)式，其信息內(nèi)容可包括基礎(chǔ)電池監(jiān)控內(nèi)容、通信狀態(tài)、SOC、交互獲取的其他零件信息（如日期、車速、低壓電壓等）等。

（8）BMS底層基礎(chǔ)軟件必須具備底層IO驅(qū)動(dòng)、CAN通訊、安全監(jiān)控復(fù)位、CAN 程序刷新、故障診斷及處理、測量標(biāo)定、芯片自檢等功能[4]。

（9）BMS的通訊功能既向整車控制器上報(bào)電池的狀態(tài)信息（SOC、可充放電功率等），并獲取來自整車控制器的命令，為整車能量管理提供依據(jù)。

4 BMS架構(gòu)發(fā)展方向

總體來說，BMS發(fā)展方向是要從結(jié)構(gòu)上做減法，同時(shí)又要在功能上做加法，以實(shí)現(xiàn)成本不斷下降，但智能化和可靠性要不減反曾，以保障電池及車輛基本安全。因此BMS需要突破當(dāng)前架構(gòu)，探索新的方向。

4.1 BMS軟硬件集成化

隨著新能源汽車新四化的逐漸發(fā)展，整車上有更多的控制器功能復(fù)雜度智能度隨之提升，其零件上配置的微控制器（Microprocessor Controller Unit，MCU）MCU也會(huì)選擇功能性能更強(qiáng)大的芯片。此外集成電路的發(fā)展讓芯片功能和資源極大強(qiáng)化后，即使融合部分BMS功能后并未對(duì)外部環(huán)境提出更高的要求（如空間、散熱、電氣環(huán)境等），使得BMS主控和整車控制器的集成提供了可能。此外這種新的功能分配架構(gòu)，可以通過簡化BMS的工作任務(wù)，使其更專注于電池本身的監(jiān)測采集，集成后的整車控制器根據(jù)整車信息和電池信息實(shí)現(xiàn)整車更準(zhǔn)確高效的控制。該系統(tǒng)減小了中間環(huán)節(jié)，提高了整車系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性，減少了BMS的主控部件，也能一定程度上降低系統(tǒng)的成本。同時(shí)強(qiáng)大的MCU性能可支持BMS軟件開發(fā)算力需求更大更加精準(zhǔn)的算法，逐漸實(shí)現(xiàn)向“智能型BMS”轉(zhuǎn)變，讓動(dòng)力電池的管理功能不再只具有簡單的充放電保護(hù)功能，還逐漸提供高效智能熱管理、多電芯平衡管理、高精度SOX計(jì)算等。

4.2 端云融合AI-BMS

傳統(tǒng)BMS有著如下缺陷：管理參數(shù)依賴于開發(fā)階段電池測試數(shù)據(jù)，且設(shè)定后不易更改，不利于電池實(shí)時(shí)狀態(tài)變化管理；受限于存儲(chǔ)和計(jì)算能力，無法利用歷史數(shù)據(jù)；故障初級(jí)診斷，不能復(fù)雜技術(shù)與預(yù)測；無法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理策略。因此，基于云端大數(shù)據(jù)的云BMS應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)在新能源汽車的電池價(jià)格一直居高不下，甚至占了整車總價(jià)格的40%以上，如何延緩電池衰退、降低電池成本成為了所有新能源廠商的重要工作之一。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38661-2020要求，BMS要對(duì)SOC、SOP還有SOH進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)然大部分汽車生產(chǎn)商還會(huì)有大量更加豐富的企業(yè)自定義信號(hào)監(jiān)控。因此需要車載BMS采集電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，通過車聯(lián)網(wǎng)上傳到云端服務(wù)器；云端服務(wù)器將數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并按一定的AI大模型進(jìn)行分析和計(jì)算；然后將關(guān)鍵數(shù)據(jù)定時(shí)上傳到對(duì)應(yīng)的車載BMS，車載BMS根據(jù)這些數(shù)據(jù)重新對(duì)SOC進(jìn)行計(jì)算和標(biāo)定[5]。因此理論上擁有無限存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力?？梢岳萌芷诘臍v史數(shù)據(jù)進(jìn)行電池算法計(jì)算、預(yù)測。同時(shí)可以一車一策略、一車一管理，根據(jù)每位新能源汽車用戶的充電行為和駕駛行為來個(gè)性化定制“千人千面”的充放電策略，從而達(dá)到延緩電池衰退這個(gè)終極目標(biāo)。

4.3 無線BMS

隨著技術(shù)進(jìn)步，市場上逐漸出現(xiàn)替代有線BMS的無線BMS方案。在當(dāng)前有線BMS解決方案中，通常利用雙絞線電纜，以菊花鏈方式連接模擬前端芯片，以傳輸從每個(gè)電池模塊采集的數(shù)據(jù)。無線BMS聚焦窄帶無線數(shù)字通信機(jī)制，引入高安全的高密度組網(wǎng)機(jī)制，探索將加密、跳頻、抗干擾、數(shù)據(jù)伸縮、動(dòng)態(tài)升級(jí)等方法引入自身通信機(jī)制中，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的高密度、靈活配置、抗干擾、快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通信?；跓o線BMS獨(dú)特的可升級(jí)、數(shù)據(jù)可伸縮等特點(diǎn)，可極大提升電池包安裝和生產(chǎn)效率。

國外龍頭紛紛推出無線BMS方案，無線BMS成未來趨勢。2019年，亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司和通用汽車等整車企業(yè)合作研發(fā)無線BMS，推出了無線BMS系統(tǒng)與平臺(tái)，并在通用奧特能平臺(tái)電池上首次量產(chǎn)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池?cái)?shù)據(jù)并分析，使動(dòng)力電池價(jià)值最大化。2021年，德州儀器宣布推出經(jīng)南德集團(tuán)認(rèn)證的功能安全認(rèn)證的無線BMS解決方案，實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)臒o線化，并集成了專用的無線BMS協(xié)議棧，采用2.4GHz頻段，從而支持快速組網(wǎng)。

探索由無線BMS帶來的數(shù)據(jù)伸縮、電芯AFE升級(jí)等能力，對(duì)于下一代電池包成本、密度和可靠性的新的路徑。

4.4 芯片國產(chǎn)化

需求端：受新能源車滲透率快速提升，BMS行業(yè)技術(shù)水平普遍提升。BMS可助力電池壽命提升，但仍需降本增效。據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)研究，電池成本占新能源車成本比例達(dá)40%，而動(dòng)力電池成本中BMS及熱管理系統(tǒng)占比 10%，同時(shí)BMS系統(tǒng)所用的MCU、ADC、AFE芯片、隔離芯片、均衡電路等是國產(chǎn)芯片廠商研發(fā)的重點(diǎn)，目前國外廠商仍存在先發(fā)優(yōu)勢，但國產(chǎn)芯片追趕之勢迅猛，BMS作為電池系統(tǒng)的重要部分，無論哪種路徑結(jié)合全面國產(chǎn)化，可開發(fā)出更具價(jià)格優(yōu)勢的通用化平臺(tái)產(chǎn)品，極大提升產(chǎn)品競爭力，同時(shí)也能支撐國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，對(duì)功能更多性能更強(qiáng)的電池管理系統(tǒng)提出了強(qiáng)烈的需求，同時(shí)隨著應(yīng)用場景增加、大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展以及國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)制造能力的提升，電池管理系統(tǒng)自身軟硬件技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生新變革，未來將會(huì)出現(xiàn)以無線BMS為電池?cái)?shù)據(jù)接口，結(jié)合車端更加強(qiáng)大的處理器完成高速基礎(chǔ)運(yùn)算，同時(shí)打通端云，進(jìn)一步利用強(qiáng)大的云端AI大模型，讓BMS更加智慧，同時(shí)國產(chǎn)芯片飛速發(fā)展的疊加，如此既相互獨(dú)立技術(shù)方向又可以互補(bǔ)融合，深化解決當(dāng)前BMS在制造靈活度、運(yùn)行可靠度以及計(jì)算精準(zhǔn)度等方面存在的局限性，從而達(dá)到提升整車質(zhì)量，降低成本，改進(jìn)能耗的效果，為新能源汽車進(jìn)一步提升市占率做出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：廣西科技重大專項(xiàng)（2023AA01011）。

參考文獻(xiàn)：

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