眾所周知，純電動(dòng)汽車的動(dòng)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(shuō)，把一臺(tái)電動(dòng)車比作人體的話，那么電池系統(tǒng)就是他的心臟，而B(niǎo)MS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(gè)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(guò)度充放電等現(xiàn)象。時(shí)間一長(zhǎng)，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(guò)充電狀態(tài)下還存在爆炸的危險(xiǎn)，造成電池組損壞的同時(shí)還對(duì)使用者的人生安全造成威脅。因此，必須為電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池組配備一套具有針對(duì)性的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS），從而對(duì)電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報(bào)，進(jìn)而提高整個(gè)動(dòng)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(tái)電動(dòng)車有上百塊電芯，BMS是如何管理的？如果我們見(jiàn)到過(guò)，電池包的剖析圖我們會(huì)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(duì)電池的檢測(cè)和保證電池安全。

其中電池檢測(cè)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，主要是通過(guò)傳感器收集電池在使用過(guò)程中的參數(shù)信息比如：溫度、每一個(gè)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(shuō)如果沒(méi)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(wú)從談起。如果我們把對(duì)電池的檢測(cè)流程，看成對(duì)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(guò)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(wèn)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(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(guò)程可以理解為電池的狀態(tài)評(píng)估。

什么是SOC？

如果你開(kāi)過(guò)電動(dòng)車，那么肯定會(huì)在儀表盤上見(jiàn)到SOC的標(biāo)識(shí)，這又是什么意思呢？SOC即State of Charge，是電池組的荷電狀態(tài)簡(jiǎn)稱，我們更習(xí)慣叫它電池剩余電量。SOC是判斷電池過(guò)充及過(guò)放等一系列故障的基礎(chǔ)，精確的估算SOC，可防止電池過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)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(guò)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)。

對(duì)于續(xù)航來(lái)說(shuō)，SOC的精度很重要

SOC的算法一直是電池管理系統(tǒng)（BMS）開(kāi)發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，它計(jì)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(jì)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(guò)一系列復(fù)雜的計(jì)算。即準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對(duì)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(jí)BMS芯片技術(shù)門檻高，供應(yīng)商主要為國(guó)外企業(yè)。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)BMS整體市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，BMS芯片的重要性日益突出。然而B(niǎo)MS芯片的技術(shù)門檻相對(duì)較高，比如BMS MCU芯片需要大量專有技術(shù)(Know-how)經(jīng)驗(yàn)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(méi)有長(zhǎng)期的研發(fā)積累和大量的數(shù)據(jù)積淀，難以開(kāi)發(fā)出真正滿足下游應(yīng)用需求的BMS芯片。車規(guī)級(jí)BMS芯片認(rèn)證要求苛刻、認(rèn)證周期長(zhǎng)。隨著國(guó)家“碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)黃金5年，為BMS芯片的應(yīng)用提供廣闊的市場(chǎng)藍(lán)海。車規(guī)級(jí)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(guò)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(jí)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(cè)試驗(yàn)證和長(zhǎng)周期的上車驗(yàn)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(guò)充、過(guò)放會(huì)帶來(lái)局部過(guò)熱，影響電池壽命不說(shuō)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到電池組的安全，進(jìn)而引發(fā)人身安全隱患。這時(shí)，BMS的“充放電管理”模塊就開(kāi)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(shí)提供電池狀態(tài)，便于及時(shí)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(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)流等的保護(hù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)際參數(shù)高于或低于某約定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)做出判斷，并采取斷開(kāi)、預(yù)充等方式保護(hù)電池安全。在人身安全方面，BMS通過(guò)高壓控制的手段來(lái)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(xiǎn)隱患極大，必須做好高壓控制，最常見(jiàn)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(jí)

國(guó)內(nèi)的很多電池企業(yè)采用的是國(guó)際通用的ISO 26262評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。而ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)又根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)程度，劃分由A到D的安全需求等級(jí)（Automotive Safety Integrity Level ，ASIL），其中D級(jí)為最高等級(jí)，需要最苛刻的安全需求。等級(jí)越高，對(duì)系統(tǒng)的安全性要求越高，為實(shí)現(xiàn)安全付出的代價(jià)越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開(kāi)發(fā)流程越嚴(yán)格，相應(yīng)的開(kāi)發(fā)成本增加、開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，技術(shù)要求越嚴(yán)格。ASILD等級(jí)，失效率為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(wàn)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(shí)的要求。通常來(lái)說(shuō)，汽車行業(yè)對(duì)零部件的要求是B或C等級(jí)。

車規(guī)級(jí)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(jí)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(lái)自收購(gòu)MAXIM、Linear的產(chǎn)品線）、TI、英飛凌、NXP、瑞薩（AFE產(chǎn)品主要來(lái)自收購(gòu)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為 數(shù)字值，并送入MCU進(jìn)行計(jì)算荷電狀態(tài)。在車規(guī)級(jí)MCU方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，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?？萍?、云途半導(dǎo)體、芯旺微電子等國(guó)內(nèi)廠商均有芯片產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)通過(guò)車規(guī)級(jí)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(jià)值也最高，國(guó)內(nèi)涉及該產(chǎn)品的廠商較少。從公開(kāi)資料來(lái)看，比亞迪半導(dǎo)體曾推出過(guò)一款滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級(jí)AFE芯片；Chipways的車規(guī)級(jí)BMS AFE(滿足ASIL-C等級(jí))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?、賽微微、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(wàn)套，其中前十BMS企業(yè)占據(jù)了74%的市場(chǎng)份額。

來(lái)源：NE時(shí)代

業(yè)內(nèi)人士指出，車規(guī)級(jí)BMS AFE芯片產(chǎn)品僅驗(yàn)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(duì)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(jí)ASIL-D級(jí)認(rèn)證，或?qū)⒊蔀橹萍s國(guó)產(chǎn)芯片廠商發(fā)力BMS芯片的攔路虎。

為什么“鎖電”，車企說(shuō)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(guó)產(chǎn)品牌汽車就接連發(fā)生3起自燃事故。國(guó)內(nèi)某車企研發(fā)工程師表示，快充盡管充電速度快，但動(dòng)力電池內(nèi)電芯并無(wú)法保證完全一致，大電流快充會(huì)導(dǎo)致電芯電壓不一致，進(jìn)而影響整個(gè)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(huì)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(guò)充。早前，曾有部分車企產(chǎn)品因?yàn)殡姵剡^(guò)充而出現(xiàn)自燃事故。為了解決這種問(wèn)題，部分車企會(huì)在動(dòng)力電池行將充滿時(shí)采用小電流充電，使得電芯電壓盡可能保持一致，所帶來(lái)的的問(wèn)題便是充電時(shí)間增長(zhǎng)，用戶體驗(yàn)變差。而“鎖電”可以在保證較快充電速度的同時(shí)，通過(guò)限制充電電量，減少過(guò)充的情況。過(guò)充過(guò)放可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池“析鋰”，產(chǎn)生的“枝晶”可能會(huì)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(jí)或線下升級(jí)，車企并沒(méi)有明確告知車主鎖電所帶來(lái)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(jí)內(nèi)容和帶來(lái)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(shuō)，“鎖電”不是車企說(shuō)了算的，決策依據(jù)更多還是來(lái)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(shí)間和累計(jì)狀態(tài)達(dá)到一定的狀態(tài)，來(lái)設(shè)定的一個(gè)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(shí)刻工作在安全區(qū)域。所以，對(duì)實(shí)際使用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，每輛車都有一個(gè)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?！　∫詺W洲的車企為例子，一般都會(huì)給出兩個(gè)數(shù)據(jù)，直接把使用區(qū)間做了標(biāo)識(shí)，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?guó)，車企則是通過(guò)設(shè)置最高電圧或者最高SOC來(lái)緩解安全問(wèn)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(shuō)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(guò)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(duì)方以涉及保密協(xié)議為由，未能告知。近年來(lái)，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(cè)。

“鎖電”爭(zhēng)議引發(fā)更深層次的討論是，OTA給智能汽車車主帶來(lái)越來(lái)越多智能體驗(yàn)的同時(shí)，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(guò)OTA侵害車主對(duì)電池的所有權(quán)。

2020年11月25日，國(guó)家市場(chǎng)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(jí)（OTA）技術(shù)召回監(jiān)管的通知》（以下簡(jiǎn)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(chǎng)監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局報(bào)告。《通知》還提到，市場(chǎng)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(tái)，組織開(kāi)展OTA安全技術(shù)評(píng)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(wèn)題，我們應(yīng)該從根本上加強(qiáng)對(duì)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(shí)維護(hù)，必要時(shí)更換電池，充電前觀察汽車狀況，避免長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽(yáng)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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