純電動汽車的那些事兒：電池管理系統(tǒng)究竟是如何工作的？

時間:2019-11-08 08:38來源:騰訊新聞 作者:綜合報道
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       在第一次購買純電動汽車之前，必須要有充足的準(zhǔn)備，才不會后悔。
 
       1.相比續(xù)航焦慮來說，純電動汽車的安全焦慮是車主們更關(guān)注的話題。
 
       2.有數(shù)據(jù)顯示：80%的新能源車自燃事故是在充電中或充滿電后1小時內(nèi)發(fā)生。
 
       3.新能源車的熱管理效果會影響超過40%以上的續(xù)航效果。
 
       那些忽視電池的安全性，盲目的只關(guān)注“高續(xù)航里程”和“高能量密度”這些數(shù)據(jù)的選車人，真的有一天會后悔都來不及。
 
       如果能夠有效規(guī)避充電導(dǎo)致的起火，電動汽車的安全事故將大幅降低。這個時候，我們需要了解一下BMS。
       BMS（battery management system），是電動汽車不可或缺的重要部件，是管理和監(jiān)控動力電池的中樞，管理、維護(hù)、監(jiān)控電池各個模塊，肩負(fù)著防止電池過充過放電、延長電池使用壽命、幫助電池正常運行的重任。
 
       電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載電池和電動車的重要紐帶，它主要的功能包括：電池物理參數(shù)實時監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制均衡管理、熱管理等等。以上哪個功能實現(xiàn)不好，都會讓電池出現(xiàn)致命的危害。
      主流BMS配套企業(yè)都有哪些？
 
       讓我們來看看目前主流國產(chǎn)純電汽車的BMS分別是由哪些廠家提供的？
 
       BMS作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，是動力電池組的核心技術(shù)，也是衡量一部純電動整車性能的最為重要的指標(biāo)。
 
       BMS系統(tǒng)自身的復(fù)雜性決定了它具有很強的技術(shù)壁壘，需要技術(shù)研發(fā)時間，它的成本約占電池組總成本的20%左右。
 
       我國BMS企業(yè)大體分為幾種類型： 電池廠自營、整車廠自營、第三方經(jīng)營。
 
       電池廠自營類的，目前國內(nèi)第一梯隊動力電池企業(yè)有：寧德時代、中信國安盟固利、國軒高科、微宏動力等，它們掌握整套核心技術(shù)優(yōu)勢，有很強的市場競爭力；
 
       整車廠自營的，以比亞迪、北汽新能源、中通客車為代表，除了掌握核心技術(shù)，在成本方面也比其他企業(yè)有優(yōu)勢；
 
       第三方提供的代表企業(yè)有東莞鉅威動力、惠州市億能電子、深圳科列技術(shù)等企業(yè)。
 
       下面讓我們來看看目前在為主流新能源車型配套BMS的企業(yè)排名（2019年9月新能源汽車BMS裝機量TOP20），我們所購買的大部分國產(chǎn)純電動車的BMS來自這些企業(yè)，看完這個裝機量數(shù)據(jù)，相信對你的選購純電動汽車也會有不少幫助。
       BMS的功能有多重要？
 
      BMS是電動汽車的命之脈！
 
       BMS是連接電池和整車的紐帶，它處理的信號足夠豐富，它們包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。一次過放電就會造成電池的永久性損壞，極端情況下鋰電池過熱或者過充電會導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以，BMS要進(jìn)行嚴(yán)格的控制充放電，避免過充、過放、過熱。
 
       電池在不同的溫度下會有不同的工作性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為25-40度。BMS通過均衡改善不一致性，提升鋰電池整體性能。
       電動車以鋰電池為主要動力驅(qū)動來源，源于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時電量存在細(xì)微差異，且隨著操作環(huán)境改變等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。
 
       通過BMS能準(zhǔn)確量測電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為可理解的續(xù)航力信息，確保動力電池安全運作。
 
      BMS之爭：特斯拉Model 3 PK雪佛蘭Bolt
 
       如果沒有好的BMS，電動汽車就是一塊移動炸彈！
 
       電池管理系統(tǒng)的主要目的就是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計性能，從安全性、耐久性、動力性三個方面提供作用。安全性方面，BMS電池管理系統(tǒng)能保護(hù)電池單體免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；耐久性方面，BMS電池管理系統(tǒng)能使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長電池的使用壽命；動力性方面，將電池的工作狀態(tài)維持在滿足車輛要求的情況下。
 
       特斯拉的電池管理系統(tǒng)是當(dāng)今最成熟的系統(tǒng)。它得益于深度學(xué)習(xí)和人工智能的充分應(yīng)用，特斯拉的BMS可以不斷獲得實際駕駛的大數(shù)據(jù)，然后對算法進(jìn)行自我強化，從而使特斯拉電池組的續(xù)航時間相對更長。
 
       下面我們以特斯拉Model3為例，羅列一下它的BMS的五大特性：
 
       1.4416顆低容量的小電池支撐起75kWh的系統(tǒng)，大量的小電芯讓電池系統(tǒng)更穩(wěn)定。
 
       2.雖然電池是采購的，但是特斯拉自己研制管理系統(tǒng)，可對每一顆電芯進(jìn)行溫度管理。
 
       3.采用兩階段法進(jìn)行電芯平衡，獲得更高的電池利用效率，具備了相對較低的衰減速度。
 
       4.特斯拉通過使用不導(dǎo)熱材料和嵌入溫度計，降低NCA電池的相對易燃性。
 
       5.特斯拉積累BMS相關(guān)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：駕駛、充電、電池溫度、電池容量變動等等。
 
       特斯拉BMS的五大特性帶來了很多的優(yōu)勢：
 
       1.大多數(shù)電動汽車在4-8年內(nèi)電池容量下降至80%以下，而大多數(shù)特斯拉保持90%以上。
 
       2.特斯拉BMS有很高的風(fēng)險容忍度，最大限度利用大數(shù)據(jù)來維護(hù)和管理大量的電芯。
 
       3.特斯拉系統(tǒng)可使用相同的電池來滿足轎車、卡車、跑車、SUV或其他類型汽車。
 
       除了明顯的優(yōu)點，特斯拉電池包的弱點也很明顯：
 
       1.電芯的安全性相對較差：Model S和 Model X都發(fā)生過多起燃燒事故，新款的Model 3的所有電芯都用阻燃材料做了固定，相對難以燃燒。
 
       2.模組更換成本高：壞一些電芯不會影響電池包整體性能，但模組損壞了更換成本更貴。
 
       3.有瞬間失控的風(fēng)險：一旦出現(xiàn)短暫電力缺失，電力控制系統(tǒng)不能及時激活，會使安全保護(hù)和溫度控制的功能失效。
 
       在美國新能源汽車銷量榜上，除了特斯拉遙遙領(lǐng)先之外，就是雪佛蘭的Bolt了。與特斯拉的BMS相比，雪佛蘭Bolt的BMS有如下特點：
 
       1.Bolt BMS中監(jiān)控電壓及溫度的芯片非自己研發(fā)，是LG化學(xué)設(shè)計，交由ST微電子生產(chǎn)。
 
       2.Bolt有25個BMS MCUs , Model 3有18個。
 
       3.Bolt只有單階段電芯平衡，如果增加電池容量，會造成電芯平衡精確度失衡，從而衰減速度更快。
 
       綜合而言，我們完全可以得出這樣的結(jié)論：特斯拉的BMS確實是非常優(yōu)秀的。
 
       電池的熱管理系統(tǒng)有多重要？風(fēng)冷、液冷、直冷都哪些車企在使用？
 
      冬天來了，純電動車們怎么辦？
 
       有數(shù)據(jù)統(tǒng)計,一輛電動車在較惡劣工況下(尤其在冬季低溫)開空調(diào)情況下,其將影響整車?yán)m(xù)航能力的40%以上。所以，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動汽車的綜合管理能量就顯得尤為重要。這里我們就把新能源車的熱管理系統(tǒng)做一下詳細(xì)的介紹。
 
       根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同， 電池的熱管理系統(tǒng)可分為風(fēng)冷、直冷、液冷。液冷相對直冷成本更低，冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷，目前具備主流應(yīng)用的趨勢。新能源汽車熱管理系統(tǒng)對續(xù)航里程和電池壽命有決定性的影響。
 
       新能源汽車熱管理的重點對象是空調(diào)系統(tǒng)、電池包管理系統(tǒng)、電機電控管理系統(tǒng)等。電池工作的最適宜溫度在0-38°C之間，此時不需要加熱也不需要冷卻，過高或過低的溫度都將導(dǎo)致電池壽命有更快的衰減。所以，需要對電池進(jìn)行均溫管理。
 
       不同類型的車型所采取的熱管理系統(tǒng)是不同的，熱管理的本質(zhì)是降溫、保溫、升溫這三種策略。目前新能源車型的熱管理系統(tǒng)以降溫冷卻為主。根據(jù)冷卻介質(zhì)來區(qū)分，效率和成本相對低的有風(fēng)冷和液冷。風(fēng)冷是新能源熱管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用，在早期的電動乘用車上有廣泛的應(yīng)用。而液冷是當(dāng)前應(yīng)用最廣的新能源熱管理系統(tǒng)，它通過液體對流換熱方式將電池產(chǎn)生熱量帶走以達(dá)到降溫目的。國內(nèi)外的經(jīng)典型寶馬i3、特斯拉、雪佛蘭Volt、之諾、吉利帝豪等車型都采取這種技術(shù)路線。
 
       還有一種應(yīng)用于中高端車型的直冷，它是利用制冷劑蒸發(fā)潛熱的原理，在整車或電池系統(tǒng)中建立空調(diào)系統(tǒng)，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)并快速高效地將電池系統(tǒng)的熱量帶走，從完成對電池系統(tǒng)冷卻的作業(yè)。寶馬i3有液冷、直冷兩種冷卻方案。直冷方式功率最高，但是控制策略最難做，更適合高續(xù)航和快充的要求，液冷次之。
 
       風(fēng)冷適用于小型功率和良好工況下使用, 目前國內(nèi)上市的電動汽車電池?zé)峁芾矸桨钢�，北汽、眾泰、吉利等車型的電池包還處于風(fēng)冷技術(shù)狀態(tài)。
 
       新能源車的熱管理系統(tǒng)包括：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、汽車空調(diào)系統(tǒng)、電機電控冷卻系統(tǒng)、減速器冷卻系統(tǒng)。上面我們講了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的不同應(yīng)用，下面還有一個跟冬天最相關(guān)的一個問題：冬天到底要不要開空調(diào)取暖？
 
       在北方，很多車一到冬天，續(xù)航里程就大幅降低，為了保證續(xù)航只能不開空調(diào)制熱，駕乘體驗可以說是差極了！ 下面對比幾個品牌的熱泵熱管理系統(tǒng)和它們是如何在冬天讓車主感到舒適的。
 
       電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)制熱功能主要由電加熱器， 可是直接用電加熱得到熱量的話會大大降低電池的電量和行駛里程。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，當(dāng)冬季行駛時打開基于電加熱的空調(diào)制熱功能時，幾乎一半的電量都用于制熱了，僅剩一半的電量用于行駛。
 
       在熱泵熱管理系統(tǒng)中，把熱量從溫度低的地方搬用到溫度高的地方。在夏季，熱泵系統(tǒng)把車內(nèi)的熱量搬向車外，從而達(dá)到制冷效果。在冬季，熱泵系統(tǒng)把車外的熱量送到車內(nèi)。
 
       具體的過程是這樣的：
 
       1.熱量從環(huán)境中被吸取進(jìn)熱泵系統(tǒng)；
 
       2.熱量被壓縮并被加熱；
 
       3.熱量被用來加熱車廂內(nèi)的冷空氣并使其升溫；
 
       4.加熱后的空氣被送入車廂內(nèi)；
 
       5.減壓后的熱量被轉(zhuǎn)化成低溫?zé)崃颗懦鲕囃狻?/div>
 
       相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加熱技術(shù)，熱泵空調(diào)的能耗會降低大約50%。這樣在冬季開暖風(fēng)的情況下，可以提升大概10-15%的續(xù)航里程，這對于目前普遍在300-500公里范圍內(nèi)續(xù)航的車輛們，這個空調(diào)還真是在關(guān)鍵時刻續(xù)上命了。
 
       那么現(xiàn)在都有哪些電動車型使用了熱泵系統(tǒng)呢？雖說搭載熱泵空調(diào)的車型并不多，但在我們身邊也并不完全沒有，從十幾萬區(qū)間到百萬元區(qū)間，都可以找到搭載熱泵空調(diào)的車型，這包括了大眾、奧迪、雷諾、寶馬、上汽榮威等品牌。
 
       這里要最后說明的是，熱泵空調(diào)并不是萬能的，在-5攝氏度以下的室外溫度環(huán)境下，熱泵的效率就不太高了。這時候我們能做的，就只有即時充電了！
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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