CATL电池管理系统(BMS)技术详解

出处:CATL 发布于:2020-01-16 16:35:22

  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”。其实就是保护的作用,这包括电池的自我保护和人身安全的保护。
  众所周知,电池过充、过放会带来局部过热,影响电池寿命不说,严重时会威胁到电池组的安全,进而引发人身安全隐患。这时,BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能,一方面与整车、充电机实现通讯,另一方面实时提供电池状态,便于及时发出指令控制,有效防止高充、低放的发生。
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  工程师在-30℃的黑河进行样车冬季测试
  在保护电池的模块,均衡也是很重要的一环,是保护并提升电池寿命的必要手段。另外,电池的保护还包括过压、欠压、过温、过流等的保护。简单来说,当实际参数高于或低于某约定值时,系统将自动做出判断,并采取断开、预充等方式保护电池安全。
  在人身安全方面,BMS通过高压控制的手段来保护。电池高压可达300-500V,远超人体安全电压36V,风险隐患极大,必须做好高压控制,最常见的就是继电器、高压互锁、绝缘防护。周全的高压防护控制,可有效保护司机、乘客和维护人员的人身安全。
  提到安全,就不得不提功能安全了。宁德时代始终以做世界第一安全电池为发展目标,是业内率先进入功能安全领域,同时最为完善的电池企业。
  在整个平台开发过程中,BMS严格遵守并满足国际标准ISO26262,项目经验丰富,先后在宝马、大众及PSA项目中进行了功能安全管理及开发;功能安全逐步形成宁德时代的代差优势,也获得了更多国内外整车厂的认可。
  在设计阶段,宁德时代力求实现ASIL:D级别目标。如何理解?
  ISO 26262标准根据安全风险程度,划分由A到D的安全需求等级(Automotive Safety Integrity Level ,ASIL),其中D级为最高等级,需要最苛刻的安全需求。等级越高,对系统的安全性要求越高,为实现安全付出的代价越高,意味着硬件的诊断覆盖率越高,开发流程越严格,相应的开发成本增加、开发周期延长,技术要求越严格。
  Metric
  ASIL A
  ASIL B
  ASIL C
  ASIL D
  单点故障
  Not Relevant
  >90%
  >97%
  >99%
  潜在故障
  Not Relevant
  >60%
  >80%
  >90%
  ASILD等级,失效率为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次由BMS导致的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飞机运行时的要求。通常来说,汽车行业对零部件的要求是B或C等级。
  目前国内在功能安全领域,尚处于起步阶段。宁德时代接轨国际水平,已经有多个项目产品量产,如宝马、大众及长城先后实现了功能安全ASILC等级水平。
  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。未来,宁德时代也将携手同行,踏上更高更远的征程!

关键词:CATL电池

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