中國儲能網(wǎng)訊：最近有投資機構(gòu)在向本人詢問BMS投資這塊的問題，處于風口上的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作為電動汽車的一個核心部件之一，整個新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給這塊的投資帶來了機遇，同時也充滿了風險和挑戰(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)。對于電動汽車來說，BMS系統(tǒng)肩負著很重要的責任，是電池的核心管家。特別是近幾年電動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，甚至把電動汽車這個行業(yè)推到了風口浪尖。電動汽車電池在使用過程中最大化的發(fā)揮經(jīng)濟效益以及安全的保障車輛的運行，BMS系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用。
在電動汽車整車中，BMS所占有的成本不是很高。主要有這么幾個作用，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。再就是監(jiān)測整個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)為有機溶劑，屬于非導電體，在工作的過程中不會出現(xiàn)像鉛酸電池那樣的電解液導電現(xiàn)象，所以能夠承受大電流充電，實現(xiàn)快充功能。
當然不同的正極材料和負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的標準算法。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)過充的時候會出現(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產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？當充滿電之后，鋰離子大部分會嵌套在石墨上面，當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和負極中穿梭而來的電子結(jié)合，在負極表面上開始沉積，形成鋰枝晶體。而且鋰枝晶主要沉積在隔膜和負極的接觸部位，生長的方向是沿著從負極→隔膜的走向，而這個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，及時準確判斷電池的電荷狀態(tài)，當充電器或者是充電樁對電動汽車充電到一定程度，即電池的電量達到一定范圍上線電則立即斷電保護電池。
當電動汽車充滿電進行工作，理論上能將電池中存有的電量徹底釋放完畢，達到電動汽車的最大續(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的另一個功能，準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)典的電工學里面，電池的模型實際上就是一個理想電壓源和一個電阻的串聯(lián)，這個串聯(lián)電阻也就是電池內(nèi)阻。鋰電池在生產(chǎn)的過程中，要求這個內(nèi)阻越小越好，然而，內(nèi)阻目前只能更進一步減小而不能從根本上消除內(nèi)阻，而且這個內(nèi)阻對于每個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，每個單體電池的性能會存在一定的細微差異。電池只要是存在使用就會造成內(nèi)阻對系統(tǒng)的影響，如充滿電時候所表現(xiàn)出來的開路電壓的細微差異。這就要求BMS對每個單提電池的細微管理，尤其是管理算法就顯得更為重要。在電動汽車動力電池大電流充放電的情況下(快充、電機過載)，內(nèi)阻的存在會造成電池的過熱，如果BMS沒有及時有效的進行管控或者是出現(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，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不一樣的，BMS的進行電池管理的時候必須要有針對性，進行相互匹配。內(nèi)在的控制算法更是發(fā)揮電池最大價值的核心所在。在整個使用過程中最基礎(chǔ)的是電動汽車的安全性，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，供廠家進行二次開發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個大的廠商，TI(德州儀器)、ST(意法半導體)、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)上進行二次開發(fā)，包括硬件設(shè)計，軟件的搭建等。在很多年前這些廠家都已經(jīng)進行過方案的驗證和仿真。
在對電池的管理目前有主動式均衡管理和被動式均衡管理。兩種管理模式各有優(yōu)缺點，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，然后將這些信號傳給運算模塊進行處理發(fā)出指令，最后將整個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?？傮w分為硬件部分和軟件部分，在硬件部分主要是在設(shè)計的時候考慮到硬件壽命使用冗余量等等硬件設(shè)計，保證整個BMS模塊在使用的時候不會出現(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，電動汽車動力電池的電荷狀態(tài)估測是BMS控制算法的核心所在，直接影響到電動汽車的使用壽命和運行穩(wěn)定性狀態(tài)。
電動汽車使用的環(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的自然減少也會更進一步影響到BMS的判斷。BMS對動力電池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，此時因為電池內(nèi)部鋰離子的擴散需要時間，造成單體電池電壓快速降低，而對于SOC的估算更是一個不容易解決的問題。
對于BMS的控制保護機制所占用的控制單元CPU的資源并不是很多，但這并是說保護機制就不重要，保護機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。如果整個過程只采用以往的單體電池電壓檢測和電流時間積分來進行判斷將會出現(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行計算，甚至會涉及到數(shù)學物理方法里面的各種邊界條件計算，這也不是簡單的CUP能完成的任務(wù)。
總之對于一個好的BMS系統(tǒng)企業(yè)來說至少要達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)，先進的散熱機制；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：電池安全管理多級故障診斷保護；高壓安全管理；電池電壓采集模塊具備回路過流、短路保護等安全機制，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)傳輸不會受到干擾而出現(xiàn)錯誤指令。在充電接口上符合標準規(guī)范：支持充電國標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)議進行修改。
電動汽車的發(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，這得益于電動汽車市場屬于一個增量市場，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：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，材料等等存在多樣性，BMS的匹配更是需要進行專業(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。就整個市場來看，專業(yè)BMS廠家的市場份額會超過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)也將迎來隨著電動汽車一起爆發(fā)式的增長。隨著電動汽車的保有量不斷地增加以及存量的時間拉長，BMS存在的一些潛在問題和風險將會逐步顯露出來，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方面，其一是隨著電動汽車的飛速發(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間將是一個增量市場。再就是以往以鉛酸電池為動力電池的低速電動車市場，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BMS市場樂觀估計會超過每年100億元的需求量。
