动力电池BMS技术如何助力弯道超车

2015-12-02 19:59:14来源: 汽车之家

    前几天看到有文章提到了“再不重视动力电池研究,就别提中国电动汽车弯道超车了。”这是非常有道理的。不过目前此类研究在中国主要是研究所和学校的任务,而国内绝大多数的企业没有这个能力。

    对大多数企业来说管理好现有的成熟的电池技术才是最重要的。因此有了“中国电动汽车要弯道超车BMS电池管理系统)必须攻克”的观点。近来网上各种有关BMS技术突破的新闻不断出现。有些甚至号称是颠覆性的以吸引眼球。有的根本做不了应用控制算法也号称提供BMS核心技术。在这里,笔者根据自己在美国三大汽车公司做BMS的经验和大家聊聊。

什么是BMS的核心技术?

   在北美,BMS系统通常包括检测模块与运算控制模块。

    检测是指测量电芯的电压、电流和温度以及电池组的电压,然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令。所以运算控制模块是BMS的大脑。控制模块一般包括硬件、基础软件、运行时环境(RTE)和应用软件。其中最核心的部分——应用软件对于用SimulinkXSS开发的环境的一般分为两部分:电池状态的估算算法和故障诊断以及保护。状态估算包括SOC(StateOfCharge)、SOP(StateOfPower)、SOH(StateofHealth)以及均衡和热管理。

    电池状态估算通常也就是估算SOC、SOP和SOH。SOC(荷电状态)简单地说就是电池还剩下多少电;SOC是BMS中最重要的参数,因为其他一切都是以SOC为基础的,所以它的精度和鲁棒性(也叫纠错能力)极其重要。如果没有精确的SOC,加再多的保护功能也无法使BMS正常工作,因为电池会经常处于被保护状态,更无法延长电池的寿命。

    精确的SOC估算还可以提高车的续航里程比如克莱斯勒的Fiat500eEV,可以一直放电到SOC=5%。SOP是下一时刻比如下一个2秒、10秒、30秒以及持续的大电流的时候电池能够提供的最大的放电和被充电的功率。

    SOP的精确估算可以最大限度地提高电池的利用效率。比如在刹车时可以尽量多地吸收回馈的能量而不伤害电池。在加速时可以提供更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池。同时也可以保证车在行驶过程中不会因为欠压或者过流保护而失去动力即使是在SOC很低的时候。这么一来,所谓的一级保护二级保护在精确的SOP面前都是过眼云烟。笔者不是说保护不重要。保护永远都是需要的。但是它不是BMS的核心技术。

    再说说SOH。SOH是指电池的健康状态。它包括两部分:安时容量和功率的变化。一般认为:当安时容量衰减20%或者输出功率衰减25%时,电池的寿命就到了。但是,这并不是说车就不能开了。对于纯电动车EV来说安时容量的估算更重要一些因为它与续航里程有直接关系而功率限制只是在低SOC的时候才重要。对于HEV或者PHEV来说,功率的变化更为重要这是因为电池的安时容量比较小,可以提供的功率有限。从以上这些不难看出算法才是BMS的核心。其他的都是为这个算法服务的。所以当有人声称突破了或者掌握了BMS的核心技术,应该问问他到底做了BMS的什么?是算法还是主动均衡或者只做BMS的硬件和底层软件?或者只是提出一种BMS的结构方式如积木方式?

    有人说特斯拉之所以牛,是因为它的BMS可以管理7104节电池。这是它牛的地方吗?它真的是管理7104节电池吗?特斯拉modelS确实用了7104节电池,但是串联在一起的只有96节,并联的只能算一节电池不管你并联多少节。为什么?因为其他公司的电池组也是只计算串联的个数而不是并联的个数。特斯拉凭什么要特殊呢?实际上凡是能够轻易就能够仿照的都不能算是核心技术因为人人都能够轻易做到。所以,即使你能够算也不能声称掌握了BMS的核心技术。

    比如几乎所有国内的BMS算法都是电流积分加开路电压。这根本不能算是核心技术。再比如某公司靠其所谓的核心技术--主动均衡技术荣获高工锂电金球奖。声称它的主动均衡技术能够延长电池寿命30%续航里程20%。这一看就不靠谱。为什么?根本无法定量。你和谁比能够延长寿命30%呀?和自己比有意义吗?和没有均衡的比吗?那你的水平就差远了。和别人比,应该与最好的比才有意义。世界上不说最好,至少还可以的都没有均衡问题。你怎么延长寿命30%呀?延长续航里程也是一样的道理。

    比如Fiat500e,它的SOC一直放到5%。请问你还怎么延长20%的续航里程呀?再进一步说,主动均衡的算法难吗?不就是同模组的电池相互均衡和不同模组之间的电池相互均衡。从算法角度讲完全没有难度可言。而且主动均衡根本也不是网上说的是“主动均衡功能一直以来是国外产品的杀手锏”。真是语不惊人死不休。国外为什么基本上不用主动均衡呢?主要是考虑到成本问题。如果被动均衡就能够轻易搞定,为什么要用主动均衡呢?国内为什么极力鼓吹主动均衡呢?笔者认为主要是被动均衡搞不定。说起被动均衡,绝大多数人告诉笔者说是因为国内电池质量太差一致性不好。但是通过交谈,笔者发现根本原因在于概念不清方法不对。要不然怎么会开车时均衡会越均衡越差?均衡的效果是可以计算出来的。不能完全责怪一致性不好。笔者做过的有两款PHEV的车,开了才几个月电池组内的SOC相差高达45%。而且由于SOC、SOP的问题,车在路上经常抛锚。公司一致认为是电池质量问题而且一致同意更换电池供应商。但是笔者只是更改了算法,就把均衡的问题解决了。电池组中电芯SOC的差别由45%降到了3%。现在车已经行驶了十几万公里了。抛锚的问题再也没有发生过。

怎样的算法才算核心技术?

    从控制的角度来说,一个好的算法应该有2个标准:准确性和鲁棒性(纠错能力)。精度越高越好的道理在这里就不多说了。前面提到的电流积分加开路电压实际上是用开路电压纠错,但是这种方法与在线实时纠错相比,显然鲁棒性差远了。这是为什么国外大公司都在用在线实时估算开路电压来实现在线实时纠错的原因。不是说你自己能够生产BMS就是掌握核心技术,如果你做不到别人难以企及的高度,凭什么说你掌握了核心技术?

    国内一些人往往不知道别人的算法是什么,一看某个厂家做BMS就说有BMS核心技术,这样说法是欠妥的。那些要花几千块钱去买的大部头的书籍评论BMS的优劣也根本不管各个BMS算法或者说核心技术的区别。不比较核心技术来比较BMS有意义吗?只看是不是为某个有名的OEM提供BMS就认为牛,也不知道到底提供BMS里面的什么东西。是不懂装懂呢,还是有一种崇洋的心情呢?目前世界上BMS做得最好的应该有什么特点呢?它可以在线实时估算电池组的电池参数从而精确估算出电池组的SOC、SOP、SOH。并且能够在短时间内纠正初始SOC超过10%的误差以及超过20%的安时容量的误差。美国通用汽车公司在6年前研发沃蓝达时就做过一个实验来测试算法的鲁棒性:将3串并联在一起的电池组拿掉一串,这时内阻增加1/3、安时容量减小1/3。但是BMS并不知道。结果是SOC、SOP在不到1分钟就全部纠正,SOH随后也被精确地估算出来。这不仅说明算法的强大的纠错能力,而且说明算法可以在电池的整个生命周期中始终保持估算精度不变。

    对于电脑而言,如果出现蓝屏,我们一般只需要重新启动电脑就行了。可是,对于汽车,哪怕抛锚的概率只有万分之一也是难以容忍的。所以,与发表文章不同,汽车电子需要保证在任何情况下都能工作。做一个好的算法需要花极大精力去解决那些发生概率只有千分之一、万分之一的情况。只有这样才能保证万无一失。

    掌握这样的技术,笔者认为才是掌握了核心技术。目前世界上没有一家供应商能够做到这个水平尽管已经过去了6年。就连现在红的发紫的特斯拉也无法企及。这样的算法才是杀手锏!没有这样的技术怎么弯道超车?

关键字:动力电池  BMS

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/1202/article_11863.html
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