眾所周知，純電動汽車的動力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)BMS （Battery Management System）則是其中的核心，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。如果說，把一臺電動車比作人體的話，那么電池系統(tǒng)就是他的心臟，而BMS電池管理系統(tǒng)就是支配其身體運(yùn)作的大腦。

BMS（電池管理系統(tǒng)）電器架構(gòu)

為什么要有BMS？

既然叫做電池管理系統(tǒng)，BMS的主要工作就是處理和車載電池有關(guān)的任務(wù)。盡管當(dāng)前的電池制造工藝已經(jīng)讓各個電芯之間的差異化縮小，但是單節(jié)鋰電池之間仍然存在者內(nèi)阻、容量、電壓等差異，所以在實(shí)際應(yīng)用中，電池組內(nèi)部各單體電池容易出現(xiàn)散熱不均或過度充放電等現(xiàn)象。時間一長，這些處于不良工作狀態(tài)下的電池就很可能提前損壞，電池組的整體壽命也就大大縮短。

不僅如此，電池處于嚴(yán)重過充電狀態(tài)下還存在爆炸的危險，造成電池組損壞的同時還對使用者的人生安全造成威脅。因此，必須為電動汽車上的動力電池組配備一套具有針對性的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS），從而對電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報，進(jìn)而提高整個動力電池組的工作效率和使用壽命。

BMS的主要作用是什么？

一臺電動車有上百塊電芯，BMS是如何管理的？如果我們見到過，電池包的剖析圖我們會看到內(nèi)部具有上百塊的電芯，如何管理這些密密麻麻的電芯系統(tǒng)呢？BMS系統(tǒng)的主要工作分成兩大任務(wù)——對電池的檢測和保證電池安全。

其中電池檢測實(shí)現(xiàn)相對簡單一些，主要是通過傳感器收集電池在使用過程中的參數(shù)信息比如：溫度、每一個電池單體的電壓、電流，電池組的電壓、電流等。這些數(shù)據(jù)在之后的電池組管理中起到至關(guān)重要的作用，可以說如果沒有這些電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為支撐，電池的系統(tǒng)管理就無從談起。如果我們把對電池的檢測流程，看成對電池“體檢”的話，那么這種“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，可及時查詢對應(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。當(dāng)電池的“體檢”結(jié)束之后，會進(jìn)入分析、診斷、計算的階段，之后生成“體檢報告”，這個過程可以理解為電池的狀態(tài)評估。

什么是SOC？

如果你開過電動車，那么肯定會在儀表盤上見到SOC的標(biāo)識，這又是什么意思呢？SOC即State of Charge，是電池組的荷電狀態(tài)簡稱，我們更習(xí)慣叫它電池剩余電量。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。

對于續(xù)航來說，SOC的精度很重要

SOC的算法一直是電池管理系統(tǒng)（BMS）開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它計算的準(zhǔn)確與否直接影響到了，表顯續(xù)航與實(shí)際續(xù)航的差值，如果計算不夠精確的話，甚至?xí)?dǎo)致電池用盡車輛拋錨的情況出現(xiàn)。關(guān)于電池狀態(tài)的估算，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的計算。即準(zhǔn)確估計電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預(yù)報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對于相同量的電池，可以有更高的續(xù)航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。

目前車規(guī)級BMS芯片技術(shù)門檻高，供應(yīng)商主要為國外企業(yè)。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動BMS整體市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，BMS芯片的重要性日益突出。然而BMS芯片的技術(shù)門檻相對較高，比如BMS MCU芯片需要大量專有技術(shù)(Know-how)經(jīng)驗積累，目前大量成熟解決方案被恩智浦等廠商掌握；BMS AFE的主要供應(yīng)商為亞德諾、德州儀器等海外公司。企業(yè)沒有長期的研發(fā)積累和大量的數(shù)據(jù)積淀，難以開發(fā)出真正滿足下游應(yīng)用需求的BMS芯片。車規(guī)級BMS芯片認(rèn)證要求苛刻、認(rèn)證周期長。隨著國家“碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)將迎來黃金5年，為BMS芯片的應(yīng)用提供廣闊的市場藍(lán)海。車規(guī)級半導(dǎo)體企業(yè)在進(jìn)入整車廠的供應(yīng)鏈體系前，一般需通過質(zhì)量管理體系IATF 16949和可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q系列等認(rèn)證。在完成相關(guān)車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認(rèn)證和審核后，還需經(jīng)歷嚴(yán)苛的應(yīng)用測試驗證和長周期的上車驗證，才能進(jìn)入汽車前裝供應(yīng)鏈。

電池與人員安全的守護(hù)神

BMS還有另一大核心功能，就是為電池組和人員提供安全保障。眾所周知，電池過充、過放會帶來局部過熱，影響電池壽命不說，嚴(yán)重時會威脅到電池組的安全，進(jìn)而引發(fā)人身安全隱患。這時，BMS的“充放電管理”模塊就開啟了保護(hù)職能，一方面與整車、充電機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，另一方面實(shí)時提供電池狀態(tài)，便于及時發(fā)出指令控制，有效防止高充、低放的發(fā)生。在保護(hù)電池的模塊，均衡也是很重要的一環(huán)，是保護(hù)并提升電池壽命的必要手段。另外，電池的保護(hù)還包括過壓、欠壓、過溫、過流等的保護(hù)。簡單來說，當(dāng)實(shí)際參數(shù)高于或低于某約定值時，系統(tǒng)將自動做出判斷，并采取斷開、預(yù)充等方式保護(hù)電池安全。在人身安全方面，BMS通過高壓控制的手段來保護(hù)。電池高壓可達(dá)300-500V，遠(yuǎn)超人體安全電壓36V，風(fēng)險隱患極大，必須做好高壓控制，最常見的就是繼電器、高壓互鎖、絕緣防護(hù)。周全的高壓防護(hù)控制，可有效保護(hù)司機(jī)、乘客和維護(hù)人員的人身安全。

如何理解電池的安全等級

國內(nèi)的很多電池企業(yè)采用的是國際通用的ISO 26262評估標(biāo)準(zhǔn)。而ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)又根據(jù)安全風(fēng)險程度，劃分由A到D的安全需求等級（Automotive Safety Integrity Level ，ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。等級越高，對系統(tǒng)的安全性要求越高，為實(shí)現(xiàn)安全付出的代價越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開發(fā)流程越嚴(yán)格，相應(yīng)的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長，技術(shù)要求越嚴(yán)格。ASILD等級，失效率為10^-8/h，意味著1輛車假定每天運(yùn)行4小時, 需要運(yùn)行7萬年才出現(xiàn)1次由BMS導(dǎo)致的功能性故障。而如此低概率的失效率，可媲美飛機(jī)運(yùn)行時的要求。通常來說，汽車行業(yè)對零部件的要求是B或C等級。

車規(guī)級BMS芯片主要依賴進(jìn)口

BMS中主要用到的芯片有AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等。能提供車規(guī)級BMS芯片完整解決方案的供應(yīng)商主要有ADI（AFE產(chǎn)品主要來自收購MAXIM、Linear的產(chǎn)品線）、TI、英飛凌、NXP、瑞薩（AFE產(chǎn)品主要來自收購Intersil的產(chǎn)品線）、ST和安森美等企業(yè)。其中，BMS AFE芯片（模擬前端芯片）負(fù)責(zé)采集電池電壓后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為 數(shù)字值，并送入MCU進(jìn)行計算荷電狀態(tài)。在車規(guī)級MCU方面，據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來，包括杰發(fā)科技、全志科技、兆易創(chuàng)新、芯旺微、賽騰微、小華半導(dǎo)體、Chipways、芯海科技、云途半導(dǎo)體、芯旺微電子等國內(nèi)廠商均有芯片產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)通過車規(guī)級AEC-Q100認(rèn)證。而在BMS AFE 芯片方面，該芯片技術(shù)難度最高、附加價值也最高，國內(nèi)涉及該產(chǎn)品的廠商較少。從公開資料來看，比亞迪半導(dǎo)體曾推出過一款滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級AFE芯片；Chipways的車規(guī)級BMS AFE(滿足ASIL-C等級)芯片也已經(jīng)成功量產(chǎn)。此外，矽力杰已經(jīng)有BMS AFE芯片產(chǎn)品，但主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，芯?？萍肌①愇⑽?、華泰半導(dǎo)體也曾表示將研發(fā)多節(jié)BMS芯片。

2021年BMS配套量超300萬套，其中前十BMS企業(yè)占據(jù)了74%的市場份額。

來源：NE時代

業(yè)內(nèi)人士指出，車規(guī)級BMS AFE芯片產(chǎn)品僅驗證周期就將達(dá)到1.5至2年，從產(chǎn)品定義到成型至少需要4年，針對苛刻的汽車應(yīng)用環(huán)境，除了可靠性需要滿足 AEC Q100 Grade1 品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，ISO 26262汽車安全完整性等級ASIL-D級認(rèn)證，或?qū)⒊蔀橹萍s國產(chǎn)芯片廠商發(fā)力BMS芯片的攔路虎。

為什么“鎖電”，車企說的不算？

去年一年，新能源汽車發(fā)生了多起自燃、爆炸事故，僅在2021年12月，某國產(chǎn)品牌汽車就接連發(fā)生3起自燃事故。國內(nèi)某車企研發(fā)工程師表示，快充盡管充電速度快，但動力電池內(nèi)電芯并無法保證完全一致，大電流快充會導(dǎo)致電芯電壓不一致，進(jìn)而影響整個電池包的放電能力；此外，部分電芯充滿，部分電芯未充滿的情況下，BMS系統(tǒng)可能會判斷電池包未充滿，進(jìn)而繼續(xù)充電，導(dǎo)致部分電芯出現(xiàn)過充。早前，曾有部分車企產(chǎn)品因為電池過充而出現(xiàn)自燃事故。為了解決這種問題，部分車企會在動力電池行將充滿時采用小電流充電，使得電芯電壓盡可能保持一致，所帶來的的問題便是充電時間增長，用戶體驗變差。而“鎖電”可以在保證較快充電速度的同時，通過限制充電電量，減少過充的情況。過充過放可能會導(dǎo)致動力電池“析鋰”，產(chǎn)生的“枝晶”可能會刺破隔膜導(dǎo)致正負(fù)極短路，引發(fā)熱失控和自燃。“鎖電”的目的就是為了防止這種情況的出現(xiàn)，但有些相關(guān)的OTA升級或線下升級，車企并沒有明確告知車主鎖電所帶來的影響和效果，監(jiān)管部門應(yīng)該推出相關(guān)規(guī)定，要求車企明確告知車主升級內(nèi)容和帶來的影響。“鎖電”這事兒已經(jīng)不是某車企的偶然行為，已經(jīng)快成為行業(yè)現(xiàn)象了。一位曾就職于某大型車企的技術(shù)專家說，“鎖電”不是車企說了算的，決策依據(jù)更多還是來自于電池供應(yīng)商。“鎖電”比例，也是電池供應(yīng)商根據(jù)使用時間和累計狀態(tài)達(dá)到一定的狀態(tài)，來設(shè)定的一個保護(hù)門檻。“鎖電”首要考慮的因素就是起火概率。換言之，“鎖電”是為了降低電池在固定使用期限后的起火概率。相關(guān)技術(shù)專家指出，考慮到化學(xué)電池的反應(yīng)特性，SOC估值需要留出緩沖區(qū)間，以確保電池時刻工作在安全區(qū)域。所以，對實(shí)際使用場景來說，每輛車都有一個真正能用的電量范圍，比如可以設(shè)置成5%-95%，釋放88%或者90%的電量。　　以歐洲的車企為例子，一般都會給出兩個數(shù)據(jù)，直接把使用區(qū)間做了標(biāo)識，比如寶馬i3最早期的版本，可用能量和總能量的比值介于82%至90%之間?！　《诿绹?，車企則是通過設(shè)置最高電圧或者最高SOC來緩解安全問題，或者是在BMS里設(shè)定最高的SOC，要么就是在中控屏系統(tǒng)設(shè)定推薦的SOC范圍。

據(jù)知情人透漏，“鎖電”并不是車企說了算，至于其中的責(zé)任，那就是車企和電池供應(yīng)商都有責(zé)任。”不過至于如何界定雙方責(zé)任，以及使用年限和狀態(tài)如何影響“鎖電”比例，對方以涉及保密協(xié)議為由，未能告知。近年來，新能源汽車自燃事故頻發(fā)，車企限制充電速率和充電量，可能與汽車自燃有關(guān)，但這一點(diǎn)未能得到車企證實(shí)，只是猜測。

“鎖電”爭議引發(fā)更深層次的討論是，OTA給智能汽車車主帶來越來越多智能體驗的同時，如何保障車主的知情權(quán)和選擇權(quán)，以及車企和供應(yīng)商能否通過OTA侵害車主對電池的所有權(quán)。

2020年11月25日，國家市場監(jiān)管總局辦公廳了發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)汽車遠(yuǎn)程升級（OTA）技術(shù)召回監(jiān)管的通知》（以下簡稱通知），規(guī)范了OTA技術(shù)的應(yīng)用?！锻ㄖ分杏刑岬?，消費(fèi)者、零部件生產(chǎn)者、軟件與系統(tǒng)或數(shù)據(jù)服務(wù)商等獲知生產(chǎn)者采用OTA方式隱瞞車輛缺陷、規(guī)避召回責(zé)任的，可以直接向市場監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局報告?！锻ㄖ愤€提到，市場監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局將組織相關(guān)單位加強(qiáng)汽車OTA安全監(jiān)管技術(shù)研究，探索建立OTA監(jiān)管數(shù)據(jù)平臺，組織開展OTA安全技術(shù)評估，并加強(qiáng)相關(guān)的召回監(jiān)督工作?！　?ldquo;鎖電”只能治標(biāo)不能治本。為了解決汽車自燃的問題，我們應(yīng)該從根本上加強(qiáng)對電池材料、制造工藝和加熱處理的研究，以提高電池系統(tǒng)的質(zhì)量。車主還應(yīng)及時維護(hù)，必要時更換電池，充電前觀察汽車狀況，避免長時間暴露在陽光下。汽車安全需要汽車公司和車主的共同努力，以考慮汽車的性能和安全。業(yè)內(nèi)人士表示。

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