解密|寧德時(shí)代的電池管理系統(tǒng)(BMS)
如果把電芯比作人體的心臟,模組和電池包比作強(qiáng)健的體魄,那么整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)要平穩(wěn)運(yùn)行,還需要一個(gè)支配身體的智慧大腦,那就是BMS。
電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,簡稱BMS)是連接電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶,其精準(zhǔn)的控制和管理為電池的完美應(yīng)用保駕護(hù)航。
“龍生九子,各有不同。”即使同一批次生產(chǎn)的兩個(gè)單體電芯,因生產(chǎn)工藝誤差、使用環(huán)境差異等,其性能也不可能完全一致;在使用過程中這種不一致性會(huì)逐漸擴(kuò)大,可能會(huì)出現(xiàn)過充、過放和局部過熱的危險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)影響到電池組的使用壽命和安全。
這時(shí)就需要BMS大顯身手。
那么問題來了,BMS主要做什么?
關(guān)于BMS的功能,行業(yè)內(nèi)關(guān)于其分類方式不盡相同。不過從用戶的角度來理解,可大致劃分為兩大功能—— “電池體檢”和“安全衛(wèi)士”。
即時(shí)體檢
精準(zhǔn)掌握電池狀態(tài)
即時(shí)“體檢”,指的是電池?cái)?shù)據(jù)采集和狀態(tài)評(píng)估。
數(shù)據(jù)采集,可簡單理解為給電池做例行的“體檢”;在充放電過程中,實(shí)時(shí)采集電池組中每塊電池的端電壓、溫度、充放電電流及總電壓,防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。
這種“體檢”是在線的、持續(xù)的、不間斷的。過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí),可及時(shí)查詢對(duì)應(yīng)電池狀況,并挑選出有問題的電池,從而保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性。
工程師在搭建BMS硬件在環(huán)測(cè)試模擬環(huán)境
工程師在采集數(shù)據(jù),觀測(cè)車輛在充電狀態(tài)下的電流、電壓、SOC的變化
寧德時(shí)代掌握業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高精度測(cè)量技術(shù),總流總壓精度可達(dá)千分之五;采樣數(shù)據(jù)精度很高,通過實(shí)時(shí)了解電池真實(shí)工作狀態(tài),及時(shí)做出判斷與修正。
“體檢”結(jié)束之后,會(huì)進(jìn)入分析、診斷、計(jì)算的階段,之后生成“體檢報(bào)告”,這個(gè)過程可以理解為電池的狀態(tài)評(píng)估。
這時(shí),我們需要了解一個(gè)行業(yè)的常用術(shù)語——SOC。
何為SOC?
電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge,即SOC),即電池剩余電量。SOC是判斷電池過充及過放等一系列故障的基礎(chǔ),精確的估算SOC,可防止電池過充和過放,延長電池的使用壽命,從而提高電池的利用率。
其實(shí),除了SOC估算,還有SOH(State of Health),SOP(State of Power),用戶可通過車上儀表顯示看到這些數(shù)據(jù),從而確認(rèn)電池的工作、功能狀態(tài)。據(jù)此,在保護(hù)電池的基礎(chǔ)上,將潛力發(fā)揮最大化,大大提升駕乘體驗(yàn)。
因此SOC等數(shù)據(jù)估算的準(zhǔn)確與否,就顯得特別重要。估算不準(zhǔn)帶來的后果,有可能是汽車拋錨、與預(yù)期的行駛里程數(shù)不符等。
車輛正在進(jìn)行快充實(shí)驗(yàn)時(shí),SOC顯示52%
舉個(gè)例子,滿電情況下續(xù)航里程為400公里的車輛在道路行駛。若估算準(zhǔn)確,當(dāng)SOC顯示為10%時(shí),還可能行駛的里程是40公里;若估算不準(zhǔn),SOC達(dá)到15%,則用戶以為的里程為60公里,事實(shí)上可能在行駛40公里之后,就已經(jīng)沒電了。很顯然,對(duì)于用戶來說,這樣的情況很糟糕。
關(guān)于電池狀態(tài)的估算,需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的計(jì)算。寧德時(shí)代掌握了精確的核心算法,通過基于電池參數(shù)的估算方法,有效消除累積誤差的影響,估算更精確。NCM估算精確度在3%,LFP在5%左右。
“安全衛(wèi)士”
保護(hù)電池及人身安全
BMS還有另一大核心功能,就是“安全衛(wèi)士”;可簡單理解為保護(hù)的作用,主要體現(xiàn)在對(duì)電池及高壓安全的防護(hù)上。
首先,由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,電池濫用或損壞會(huì)影響到電池壽命及安全性,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電池?zé)崾Э兀瑥亩l(fā)安全事故。BMS對(duì)電池的保護(hù)功能表現(xiàn)在:一方面,對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;另一方面,與整車及充電機(jī)等外部系統(tǒng)進(jìn)行通訊,對(duì)充放電過程進(jìn)行及時(shí)有效的控制,從而防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。
目前,寧德時(shí)代已實(shí)現(xiàn)了BMS對(duì)電池充電、放電及均衡過程全方位的保護(hù),做到了對(duì)故障的提前預(yù)防、發(fā)生檢測(cè),過程控制及影響降級(jí)。
工程師在-30℃的黑河進(jìn)行樣車冬季測(cè)試
其次,電池系統(tǒng)電壓可達(dá)300-500V,遠(yuǎn)超人體安全電壓,風(fēng)險(xiǎn)隱患極大,高壓安全防護(hù)為此保駕護(hù)航。BMS通過對(duì)絕緣電阻、高壓互鎖及繼電器狀態(tài)的檢測(cè),對(duì)可能發(fā)生的高壓泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行檢測(cè)及控制,從而保護(hù)駕駛員、乘客及維修人員的人身安全。
工程師在整車廠進(jìn)行高壓測(cè)試
說到安全,就不得不提功能安全了。功能安全是BMS安全開發(fā)的核心,目的是預(yù)防、檢測(cè)及控制BMS及其他E/E部件故障所造成的動(dòng)力電池系統(tǒng)危險(xiǎn)。寧德時(shí)代始終以做世界第一安全電池為發(fā)展目標(biāo),是業(yè)內(nèi)較早進(jìn)入功能安全開發(fā)領(lǐng)域,也是第一個(gè)開發(fā)具有ASILD功能安全目標(biāo)的BMS產(chǎn)品的動(dòng)力電池企業(yè)。
何為ASIL D等級(jí)?
國際安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)程度,將安全需求劃分為A到D的安全等級(jí)(Automotive Safety Integrity Level ,ASIL),其中D級(jí)為最高等級(jí),是最苛刻的安全需求,意味著功能安全開發(fā)流程及技術(shù)要求更嚴(yán)格、相應(yīng)的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長。
不同安全等級(jí)產(chǎn)品的隨機(jī)硬件失效率要求
ASILD等級(jí)要求產(chǎn)品安全目標(biāo)失效率小于10^-8/h,意味著1輛車假定每天運(yùn)行4小時(shí), 需要運(yùn)行7萬年才出現(xiàn)1次違反安全目標(biāo)的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飛機(jī)的安全設(shè)計(jì)要求。
寧德時(shí)代已先后為寶馬、大眾、標(biāo)致雪鐵龍及長城等多家國內(nèi)外客戶,提供或合作開發(fā)了滿足功能安全要求的BMS產(chǎn)品,獲得了客戶及第三方評(píng)審機(jī)構(gòu)的一致認(rèn)可。在積累了豐富項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),寧德時(shí)代也逐漸形成了BMS產(chǎn)品功能安全的巨大優(yōu)勢(shì)。
其實(shí),BMS的功能遠(yuǎn)不止這些,可謂“小身材,大智慧”。電池管理系統(tǒng)協(xié)同電池包,為整車提供強(qiáng)大的動(dòng)力電池系統(tǒng)。
責(zé)任編輯:仁德財(cái)
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