中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：最近有投資機(jī)構(gòu)在向本人詢問BMS投資這塊的問題，處于風(fēng)口上的BMS專業(yè)廠家科列技術(shù)更是在新三板的估值超過30億元，資本市場對其關(guān)注度只增不減。在此本人查閱了一些資料，以及對市場的預(yù)測，對BMS的重要性以及相關(guān)技術(shù)做了一些闡述，還請這塊的大牛們多多拍磚。BMS作為電動(dòng)汽車的一個(gè)核心部件之一，整個(gè)新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給這塊的投資帶來了機(jī)遇，同時(shí)也充滿了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。
BMS的重要性
電池管理系統(tǒng)(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)簡稱BMS，主要功能就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。對于電動(dòng)汽車來說，BMS系統(tǒng)肩負(fù)著很重要的責(zé)任，是電池的核心管家。特別是近幾年電動(dòng)汽車推廣的過程中出現(xiàn)的鋰電池起火燃燒安全事故，更是把電池管理的安全性提高到前所未有的高度，甚至把電動(dòng)汽車這個(gè)行業(yè)推到了風(fēng)口浪尖。電動(dòng)汽車電池在使用過程中最大化的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益以及安全的保障車輛的運(yùn)行，BMS系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用。
在電動(dòng)汽車整車中，BMS所占有的成本不是很高。主要有這么幾個(gè)作用，估測電池的荷電狀態(tài)，檢測電池的使用狀態(tài)，管控電池的循環(huán)壽命。在充電過程中對電池的熱管理，啟停鋰電池的冷卻系統(tǒng)，同時(shí)也管理單體電池之間的均衡，防止單體電池過充過放產(chǎn)生危險(xiǎn)。再就是監(jiān)測整個(gè)電池的健康工作狀態(tài)。
鋰電池的與BMS
要徹底了解BMS的工作原理和其重要性，還要從BMS管控的鋰電池說起。鋰電池主要是指以鋰離子嵌入化合物為正負(fù)極材料的一類電池。一般常見的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷鋁酸鋰(三元鋰)、鈦酸鋰等材料，每種材料的特性也都不一樣。負(fù)極材料一般是石墨，目前也在研究石墨烯材料應(yīng)用于鋰電池的負(fù)極材料中，電解液用的比較多的是六氟磷酸鋰。鋰電池的充放電可以用下圖來表示。由于電解質(zhì)為有機(jī)溶劑，屬于非導(dǎo)電體，在工作的過程中不會(huì)出現(xiàn)像鉛酸電池那樣的電解液導(dǎo)電現(xiàn)象，所以能夠承受大電流充電，實(shí)現(xiàn)快充功能。
當(dāng)然不同的正極材料和負(fù)極材料以及電解液做出的鋰電池所表現(xiàn)出的電池特性是不一樣的，例如三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的外在開路電壓，內(nèi)阻值，放電倍率以及環(huán)境溫度適應(yīng)能力都是不一樣的，對于BMS來說SOC的估測更是沒有一套放之任何鋰電池而皆準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)算法。從鋰電池的內(nèi)部說起，看看BMS對于鋰電池的重要性。
鉛酸電池出現(xiàn)過充的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)電解水的反應(yīng)，那么問題來了，如果鋰電池出現(xiàn)過充或者是過放電將會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？當(dāng)充滿電之后，鋰離子大部分會(huì)嵌套在石墨上面，當(dāng)石墨中所嵌入的鋰的含量超過了它所承受的范圍，那么多余的鋰離子就會(huì)和負(fù)極中穿梭而來的電子結(jié)合，在負(fù)極表面上開始沉積，形成鋰枝晶體。而且鋰枝晶主要沉積在隔膜和負(fù)極的接觸部位，生長的方向是沿著從負(fù)極→隔膜的走向，而這個(gè)方向很容易刺穿電池隔膜，一起電池內(nèi)部短路，小則影響電池放電效率循環(huán)壽命，大則會(huì)危害電池的安全，造成起火等安全隱患。BMS就需要在任何情況下保障電池不能過充，及時(shí)準(zhǔn)確判斷電池的電荷狀態(tài)，當(dāng)充電器或者是充電樁對電動(dòng)汽車充電到一定程度，即電池的電量達(dá)到一定范圍上線電則立即斷電保護(hù)電池。
當(dāng)電動(dòng)汽車充滿電進(jìn)行工作，理論上能將電池中存有的電量徹底釋放完畢，達(dá)到電動(dòng)汽車的最大續(xù)航里程。但是出現(xiàn)這樣的情況對電池顯然是不利的特別是使電池的循環(huán)使用壽命大大縮短。釋放電量究竟要釋放到剩余電量到多少就停止，這就是BMS的另一個(gè)功能，準(zhǔn)確估測電池的荷電狀態(tài) (State of Charge，即SOC)，即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)。
在經(jīng)典的電工學(xué)里面，電池的模型實(shí)際上就是一個(gè)理想電壓源和一個(gè)電阻的串聯(lián)，這個(gè)串聯(lián)電阻也就是電池內(nèi)阻。鋰電池在生產(chǎn)的過程中，要求這個(gè)內(nèi)阻越小越好，然而，內(nèi)阻目前只能更進(jìn)一步減小而不能從根本上消除內(nèi)阻，而且這個(gè)內(nèi)阻對于每個(gè)電池單體來說很難做到一致，只能在一定的范圍之內(nèi)。再加上生產(chǎn)工藝的控制，等因素的影響，每個(gè)單體電池的性能會(huì)存在一定的細(xì)微差異。電池只要是存在使用就會(huì)造成內(nèi)阻對系統(tǒng)的影響，如充滿電時(shí)候所表現(xiàn)出來的開路電壓的細(xì)微差異。這就要求BMS對每個(gè)單提電池的細(xì)微管理，尤其是管理算法就顯得更為重要。在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池大電流充放電的情況下(快充、電機(jī)過載)，內(nèi)阻的存在會(huì)造成電池的過熱，如果BMS沒有及時(shí)有效的進(jìn)行管控或者是出現(xiàn)失效狀態(tài)(軟件失效或者使硬件失效)，不管是對電池還是對整車將是致命性的危險(xiǎn)，甚至引起車體燃燒。
不同的電池參數(shù)和不同的電池材料所形成的單體電壓時(shí)不一樣的，BMS的進(jìn)行電池管理的時(shí)候必須要有針對性，進(jìn)行相互匹配。內(nèi)在的控制算法更是發(fā)揮電池最大價(jià)值的核心所在。在整個(gè)使用過程中最基礎(chǔ)的是電動(dòng)汽車的安全性，能夠保證BMS 在任何環(huán)境下都能夠穩(wěn)定可靠的工作軟件的有效性和硬件的有效性，等等這些性能都是目前BMS專業(yè)企業(yè)所要做的工作。
BMS的工作原理與技術(shù)核心
對于BMS的技術(shù)，目前各大芯片廠家都推出了自己的解決方案，以及針對性的底層芯片，供廠家進(jìn)行二次開發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個(gè)大的廠商，TI(德州儀器)、ST(意法半導(dǎo)體)、ADI(亞德諾)、ATMEL(艾特梅爾)、Infinen(英飛凌)、Intersil(英特矽爾)、Linear(凌力爾特)、Maxim(美信)等廠家。國內(nèi)的BMS企業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，包括硬件設(shè)計(jì)，軟件的搭建等。在很多年前這些廠家都已經(jīng)進(jìn)行過方案的驗(yàn)證和仿真。
在對電池的管理目前有主動(dòng)式均衡管理和被動(dòng)式均衡管理。兩種管理模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，所采用的方式普遍為采集單體電池電壓，串聯(lián)電流，以及溫度以及電池組的電壓，然后將這些信號(hào)傳給運(yùn)算模塊進(jìn)行處理發(fā)出指令，最后將整個(gè)處理的信息指令通過CAN通訊系統(tǒng)傳送給汽車中央控制單元或整車VMS系統(tǒng)。其組成主要由數(shù)據(jù)采集電路、電子控制單元(ECU)和通訊電路組成。總體分為硬件部分和軟件部分，在硬件部分主要是在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到硬件壽命使用冗余量等等硬件設(shè)計(jì)，保證整個(gè)BMS模塊在使用的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)硬件的故障。在軟件方面其最核心的技術(shù)在原SOC的估測算法，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電荷狀態(tài)估測是BMS控制算法的核心所在，直接影響到電動(dòng)汽車的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)。
電動(dòng)汽車使用的環(huán)境比較復(fù)雜，使用工況的不一樣，電池的放電倍率的不一樣都會(huì)影響到BMS對電池SOC的估測判斷，再就是隨著電池的循環(huán)使用，電池自然壽命的減少造成SOC的自然減少也會(huì)更進(jìn)一步影響到BMS的判斷。BMS對動(dòng)力電池SOC的估算精度特別的重要。精度越高，對于相同容量的電池，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。而高精度的算法更是國內(nèi)廣大BMS專業(yè)廠家要去下功夫解決的問題。例如汽車持續(xù)的上坡，持續(xù)大電流放電，此時(shí)因?yàn)殡姵貎?nèi)部鋰離子的擴(kuò)散需要時(shí)間，造成單體電池電壓快速降低，而對于SOC的估算更是一個(gè)不容易解決的問題。
對于BMS的控制保護(hù)機(jī)制所占用的控制單元CPU的資源并不是很多，但這并是說保護(hù)機(jī)制就不重要，保護(hù)機(jī)制的控制稍微比較簡單，畢竟沒有涉及到復(fù)雜的算法。而在核心方面SOC的估測，每一種狀態(tài)和工況所需要的算法都不一樣，比如下坡的能量回收，上坡時(shí)候的持續(xù)大電流放電，平坦路面的的持續(xù)行駛，糟糕路況的持續(xù)行駛，以及頻繁的起步剎車路況。如果整個(gè)過程只采用以往的單體電池電壓檢測和電流時(shí)間積分來進(jìn)行判斷將會(huì)出現(xiàn)很大的估測誤差。顯然針對不同的工況需要建立不同的物理模型進(jìn)行計(jì)算，甚至?xí)婕暗綌?shù)學(xué)物理方法里面的各種邊界條件計(jì)算，這也不是簡單的CUP能完成的任務(wù)。
總之對于一個(gè)好的BMS系統(tǒng)企業(yè)來說至少要達(dá)到這些條件掌握電池SOC核心算法；掌握健康狀態(tài)SOH估算；掌握高效的均衡管理技術(shù)，先進(jìn)的散熱機(jī)制；掌握業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高精度測量技術(shù)；可選配多功能數(shù)據(jù)記錄儀等附加功能。在安全的性能方面要滿足：電池安全管理多級(jí)故障診斷保護(hù)；高壓安全管理；電池電壓采集模塊具備回路過流、短路保護(hù)等安全機(jī)制，電路更可靠；在通訊系統(tǒng)傳輸過程中滿足EMC要求EMI要求，保證數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)受到干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤指令。在充電接口上符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：支持充電國標(biāo)GBT 20234-2015及GBT 27930-2015；支持各種協(xié)議和故障診斷協(xié)議，能夠在線對協(xié)議進(jìn)行修改。
電動(dòng)汽車的發(fā)展使我國的BMS技術(shù)與國外的BMS技術(shù)存在的差距并不是很大，國內(nèi)依然有表現(xiàn)不俗的專業(yè)廠家。在目前來看國內(nèi)BMS廠家比較多自身技術(shù)水平也參差不齊，這得益于電動(dòng)汽車市場屬于一個(gè)增量市場，處于飛速上升階段。未來的情形一定使掌握有核心技術(shù)的廠家將引領(lǐng)市場的發(fā)展和規(guī)范。
BMS的市場潛力
從下游整車廠的反映來看，BMS市場由動(dòng)力電池企業(yè)、PACK企業(yè)及BMS企業(yè)來把控。整車廠更愿意以簽訂技術(shù)協(xié)議的方式整體采購電池組+BMS。究其原因，整車廠不愿意花精力去做BMS主要是基于這么幾點(diǎn)：1、BMS占整車成本較小，涉足該領(lǐng)域不合算；2、電池組分開采購，BMS作為電池安全管理系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)“扯不清”的情況；3、BMS與電池須高度匹配，電池材料、電壓、溫度等不同，BMS方案就會(huì)不同。在不了解電池的情況下，整車廠去做BMS沒有任何優(yōu)勢。
由于市場上電池的型號(hào)，材料等等存在多樣性，BMS的匹配更是需要進(jìn)行專業(yè)的匹配。對于電池廠家來講，除非電池的出貨量足夠大，才有會(huì)考慮自己去做BMS，然而隨著鋰電池廠家產(chǎn)品線的豐富和產(chǎn)品的多樣化策略，電池廠家的BMS業(yè)務(wù)依然會(huì)放下歸專業(yè)的公司來做。從近幾年的釋放份額的分布上來看就能反映出來。
目前BMS的提供商主要集中在專業(yè)BMS廠家如科列技術(shù)、億能電子、妙益電子、冠拓等專業(yè)廠家，畢竟專業(yè)的事還需要專業(yè)的廠家來做。就整個(gè)市場來看，專業(yè)BMS廠家的市場份額會(huì)超過60%，其余的則是PACK廠家、鋰電池廠家以及整車廠家占有。隨著電動(dòng)汽車的出貨量不斷地增長，BMS專業(yè)企業(yè)也將迎來隨著電動(dòng)汽車一起爆發(fā)式的增長。隨著電動(dòng)汽車的保有量不斷地增加以及存量的時(shí)間拉長，BMS存在的一些潛在問題和風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)逐步顯露出來，一些沒有核心技術(shù)和核心算法的公司將會(huì)逐漸淘汰出局。要做好關(guān)乎汽車安全的BMS的技術(shù)比壁壘還是有一定的高度。
BMS的市場增量主要來自兩個(gè)方面，其一是隨著電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，特別是產(chǎn)銷量的持續(xù)增長，對汽車用BMS的需求將在很長一段時(shí)間將是一個(gè)增量市場。再就是以往以鉛酸電池為動(dòng)力電池的低速電動(dòng)車市場，這塊隨著國家政策的逐漸清晰，鋰電化必然是趨勢，這塊的市場需求更是巨量的。再加上其他鋰電替換鉛酸的領(lǐng)域，未來整個(gè)BMS市場樂觀估計(jì)會(huì)超過每年100億元的需求量。
