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解密|宁德时代的电池管理系统(BMS)

2018-05-07 14:10:18 大云网
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如果把电芯比作人体的心脏,模组和电池包比作强健的体魄,那么整个动力电池系统要平稳运行,还需要一个支配身体的智慧大脑,那就是BMS。电

如果把电芯比作人体的心脏,模组和电池包比作强健的体魄,那么整个动力电池系统要平稳运行,还需要一个支配身体的智慧大脑,那就是BMS。

电池管理系统(Battery Management System,简称BMS)是连接电池和电动汽车的重要纽带,其精准的控制和管理为电池的完美应用保驾护航。

“龙生九子,各有不同。”即使同一批次生产的两个单体电芯,因生产工艺误差、使用环境差异等,其性能也不可能完全一致;在使用过程中这种不一致性会逐渐扩大,可能会出现过充、过放和局部过热的危险,严重时影响到电池组的使用寿命和安全。

这时就需要BMS大显身手。

那么问题来了,BMS主要做什么?

关于BMS的功能,行业内关于其分类方式不尽相同。不过从用户的角度来理解,可大致划分为两大功能—— “电池体检”和“安全卫士”。

即时体检

精准掌握电池状态

即时“体检”,指的是电池数据采集和状态评估。

数据采集,可简单理解为给电池做例行的“体检”;在充放电过程中,实时采集电池组中每块电池的端电压、温度、充放电电流及总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。

这种“体检”是在线的、持续的、不间断的。过程中当发现数据异常时,可及时查询对应电池状况,并挑选出有问题的电池,从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。

工程师在搭建BMS硬件在环测试模拟环境

工程师在采集数据,观测车辆在充电状态下的电流、电压、SOC的变化

宁德时代掌握业内领先的高精度测量技术,总流总压精度可达千分之五;采样数据精度很高,通过实时了解电池真实工作状态,及时做出判断与修正。

“体检”结束之后,会进入分析、诊断、计算的阶段,之后生成“体检报告”,这个过程可以理解为电池的状态评估。

这时,我们需要了解一个行业的常用术语——SOC。

何为SOC?

电池组的荷电状态(State of Charge,即SOC),即电池剩余电量。SOC是判断电池过充及过放等一系列故障的基础,精确的估算SOC,可防止电池过充和过放,延长电池的使用寿命,从而提高电池的利用率。

其实,除了SOC估算,还有SOH(State of Health),SOP(State of Power),用户可通过车上仪表显示看到这些数据,从而确认电池的工作、功能状态。据此,在保护电池的基础上,将潜力发挥最大化,大大提升驾乘体验。

因此SOC等数据估算的准确与否,就显得特别重要。估算不准带来的后果,有可能是汽车抛锚、与预期的行驶里程数不符等。

车辆正在进行快充实验时,SOC显示52%

举个例子,满电情况下续航里程为400公里的车辆在道路行驶。若估算准确,当SOC显示为10%时,还可能行驶的里程是40公里;若估算不准,SOC达到15%,则用户以为的里程为60公里,事实上可能在行驶40公里之后,就已经没电了。很显然,对于用户来说,这样的情况很糟糕。

关于电池状态的估算,需要经过一系列复杂的计算。宁德时代掌握了精确的核心算法,通过基于电池参数的估算方法,有效消除累积误差的影响,估算更精确。NCM估算精确度在3%,LFP在5%左右。

“安全卫士”

保护电池及人身安全

BMS还有另一大核心功能,就是“安全卫士”;可简单理解为保护的作用,主要体现在对电池及高压安全的防护上。

首先,由于电池内部结构的复杂性,电池滥用或损坏会影响到电池寿命及安全性,严重时会造成电池热失控,从而引发安全事故。BMS对电池的保护功能表现在:一方面,对电池状态进行实时监控;另一方面,与整车及充电机等外部系统进行通讯,对充放电过程进行及时有效的控制,从而防止危险事故的发生。

目前,宁德时代已实现了BMS对电池充电、放电及均衡过程全方位的保护,做到了对故障的提前预防、发生检测,过程控制及影响降级。

工程师在-30℃的黑河进行样车冬季测试

其次,电池系统电压可达300-500V,远超人体安全电压,风险隐患极大,高压安全防护为此保驾护航。BMS通过对绝缘电阻、高压互锁及继电器状态的检测,对可能发生的高压泄漏风险进行检测及控制,从而保护驾驶员、乘客及维修人员的人身安全。

工程师在整车厂进行高压测试

说到安全,就不得不提功能安全了。功能安全是BMS安全开发的核心,目的是预防、检测及控制BMS及其他E/E部件故障所造成的动力电池系统危险。宁德时代始终以做世界第一安全电池为发展目标,是业内较早进入功能安全开发领域,也是第一个开发具有ASILD功能安全目标的BMS产品的动力电池企业。

何为ASIL D等级?

国际安全标准ISO26262根据安全风险程度,将安全需求划分为A到D的安全等级(Automotive Safety Integrity Level ,ASIL),其中D级为最高等级,是最苛刻的安全需求,意味着功能安全开发流程及技术要求更严格、相应的开发成本增加、开发周期延长。

不同安全等级产品的随机硬件失效率要求

ASILD等级要求产品安全目标失效率小于10^-8/h,意味着1辆车假定每天运行4小时, 需要运行7万年才出现1次违反安全目标的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飞机的安全设计要求。

宁德时代已先后为宝马、大众、标致雪铁龙及长城等多家国内外客户,提供或合作开发了满足功能安全要求的BMS产品,获得了客户及第三方评审机构的一致认可。在积累了丰富项目经验的同时,宁德时代也逐渐形成了BMS产品功能安全的巨大优势。

其实,BMS的功能远不止这些,可谓“小身材,大智慧”。电池管理系统协同电池包,为整车提供强大的动力电池系统。

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