新能源汽车的关键技术：BMS的现状与未来

撰文/N.E.S 张凯

新能源汽车的关键技术：BMS的现状与未来

撰文/N.E.S 张凯

手机电池过热而导致的卡顿、死机现象大多数人都经历过，对于电动汽车而言，关乎车内乘员安全的它能卡顿、死机吗？答案显然是不能。然而不幸的是，因动力电池过热导致的车辆起火事件频发，其中一个重要的原因就是电池管理系统（Battery Management System， BMS）没有发挥应有的作用，为什么BMS这么重要又时常被忽略？

BMS——电动汽车的心脏

作为电动汽车“三电”系统中的重要一员，更有人它比作汽车的心脏。电池管理系统的主要任务是保证电组工作在安全区间内，提供车辆控制所需的必需信息，出现异常时及时响应处理，并根据环境温度、电池状态车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制自动均衡、热管理等。通俗地讲，就是一套管理、控制、用电池组的系统。

BMS——电动汽车如何依赖它

充、放电温度等一系列热相关的问题，决定了动力电池的性能、安全性、寿命及使用成本。究其原因，电池的工作温度会直接影响其使用中的能量与功率性能。当温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，比如在过低温度下（如低于0°C）对电池进行充电，则可能引发瞬间的过充现象，造成内部析锂进而引发短路。也就是说，动力电池的热相关问题将直接影响电池的安全性。

生产制造环节的缺陷或使用环境复杂等，都可能造成电池局部过热，最终造成车辆冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件，威胁到车辆乘员的生命安全。另外，动力电池的工作或存放温度也影响着它的使用寿命，例如动力电池适宜的工作温度区间约在10—30°C之间，过高或过低对电池的正常使用寿命而言，有很大的不利因素。当前我们还需要关注的是，动力电池的不断革新使得其表面积与体积之比相对减小，弊端是电池内部热量不易散出，以及可能出现内部温度不均，这些因素会进一步加速电池衰减，缩短电池寿命，对于用户而言，后期用车成本反而会增加。

在充电的过程中，锂电芯充电压如果高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格通常会损坏，让电池容量产生永久性的下降。由于负极的储存格已经装满了锂原子，此时如果继续充电，锂金属便会堆积于负极材料表面，这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶，这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。另外，过充状态下的电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，氧气进入后与堆积在负极表面的锂原子反应，有时在短路发生前电池就会爆炸。

因此，锂电池在充电时，只有设定电压上限，才能保证电池的寿命、容量、和安全性，其最理想的充电电压上限为4.2V。同样，锂电芯放电时也要有电压下限，当电芯电压低于2.4V时，由于电池会自放电，随着放电时间的积累电压随之下降，部分材料开始被破坏。因此，放电时最好不要放到2.4V才停止。

充放电时，除了电压的限制，电流的限制也很必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会大量聚集于材料表面产生锂原子结晶，即锂离子在充放电的过程中通过电解液穿过隔膜不停地在正负两极之间循环流动，循环次数便取决于锂离子的质量好坏，控制好循环次数，就可以反复充电而不减少容量，否则就会让电池容量产生永久性的下降，甚至爆炸。

对于电芯而言，由于制造工艺的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别，这会导致内部结构和材质上的不完全一致。锂电池单体如果过大，使用过程中容易产生高温，产生安全隐患，大容量电池必须通过串并联的方式形成电池组。对于单体电池而言，基本不可能做到性能一致，再加上使用环境的影响，均会造成电池寿命的差别，大大影响整个电池组的寿命和性能。串联就好比木桶效应，高度最低的那根木板影响整个水桶的装水量，即其中一个电芯的性能下降就会影响整个电池组的性能，严重的将造成整体更换。

实际使用中，由于电池组中各个电池单体的电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响，造成同一类型、规格的电池在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别，搭载在电动汽车后，性能指标往往达不到单体电池的原有水平，严重影响其在电动汽车上的应用。

所以，锂电池需要BMS严格控制充放电过程，避免过充，过放，过热。同时，这也是提高使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。在电动汽车日以激增的中国，自主品牌的电动汽车产品也越来越多，对于BMS的需求量也会随之增加。

BMS——当前发展形势

当前，电池管理系统供应商呈现四大类型：专业的BMS厂商、主机厂、电池厂商，以及综合型汽车零部件企业。其中，主机厂生产的BMS装机量约占总量的28%，电池厂生产的BMS装机量份额约为12%，专业的BMS厂商约占据60%的份额。

BMS商业模式的发展趋势是专业厂商与整车企业之间的合作，整车企业有车辆运行参数，这对于BMS厂商而言是其所缺乏的，BMS与整车控制器之间的数据交换是电动汽车正常工作的关键因素，两者形成紧密的合作关系，会使BMS公司在数据获取方面得到便利，使技术得到更好的发展，也能让整车企业的技术随之提高。