新能源汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別是用電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車。所以動(dòng)力電池是新能源汽車的核心。
前幾天看到有文章提到了「再不重視動(dòng)力電池研究，就別提中國(guó)電動(dòng)汽車彎道超車了。」 這是非常有道理的。不過(guò)目前此類研究在中國(guó)主要是研究所和學(xué)校的任務(wù)，而國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的企業(yè)沒(méi)有這個(gè)能力。
對(duì)大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)管理好現(xiàn)有的成熟的電池技術(shù)才是最重要的。因此有了「中國(guó)電動(dòng)汽車要彎道超車 BMS(電池管理系統(tǒng))必須攻克」的觀點(diǎn)。近來(lái)網(wǎng)上各種有關(guān)BMS技術(shù)突破的新聞不斷出現(xiàn)。有些甚至號(hào)稱是顛覆性的以吸引眼球。有的根本做不了應(yīng)用控制算法也號(hào)稱提供BMS核心技術(shù)。在這里，根據(jù)我自己在美國(guó)三大汽車公司做BMS的經(jīng)驗(yàn)和大家聊聊。
什么是BMS的核心技術(shù)？
最近看到國(guó)內(nèi)某企業(yè)的宣傳牌，因?yàn)椴捎肁UTOSAR的軟件構(gòu)架這樣的底層軟件而聲稱“全面掌握BMS軟硬件技術(shù)”、“達(dá)到世界先進(jìn)水平”、“采用多重均衡控制能力”。很能夠吸引眼球。這些東西是BMS的核心技術(shù)嗎？
在北美，BMS系統(tǒng)通常包括檢測(cè)模塊與運(yùn)算控制模塊。
檢測(cè)是指測(cè)量電芯的電壓、電流和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。所以運(yùn)算控制模塊是BMS的大腦。控制模塊一般包括硬件、基礎(chǔ)軟件、運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）和應(yīng)用軟件。其中最核心的部分——應(yīng)用軟件對(duì)于用Simulink 開(kāi)發(fā)的環(huán)境的一般分為兩部分：電池狀態(tài)的估算算法和故障診斷以及保護(hù)。狀態(tài)估算包括SOC（State Of Charge）、SOP（State Of Power）、SOH(State of Health）以及均衡和熱管理。
電池狀態(tài)估算通常也就是估算SOC、SOP和SOH。SOC （荷電狀態(tài)）簡(jiǎn)單的說(shuō)就是電池還剩下多少電；SOC 是BMS中最重要的參數(shù)，因?yàn)槠渌磺卸际且許OC為基礎(chǔ)的，所以它的精度和魯棒性（也叫糾錯(cuò)能力）極其重要。如果沒(méi)有精確的SOC，加再多的保護(hù)功能也無(wú)法使BMS正常工作，因?yàn)殡姵貢?huì)經(jīng)常處于被保護(hù)狀態(tài)，更無(wú)法延長(zhǎng)電池的壽命。
精確的SOC估算還可以提高車的續(xù)航里程比如克萊斯勒的Fiat500e EV， 可以一直放電到SOC=5%。
SOP是下一時(shí)刻比如下一個(gè)2秒、10秒、30秒以及持續(xù)的大電流的時(shí)候電池能夠提供的最大的放電和被充電的功率。
SOP的精確估算可以最大限度地提高電池的利用效率。比如在剎車時(shí)可以盡量多的吸收回饋的能量而不傷害電池。在加速時(shí)可以提供更大的功率獲得更大的加速度而不傷害電池。同時(shí)也可以保證車在行駛過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榍穳夯蛘哌^(guò)流保護(hù)而失去動(dòng)力即使是在SOC很低的時(shí)候。這么一來(lái)，所謂的一級(jí)保護(hù)二級(jí)保護(hù)在精確的SOP面前都是過(guò)眼云煙。不是說(shuō)保護(hù)不重要。保護(hù)永遠(yuǎn)都是需要的。但是它不可能是BMS的核心技術(shù)。
再說(shuō)說(shuō)SOH。SOH 是指電池的健康狀態(tài)。它包括兩部分：安時(shí)容量和功率的變化。一般認(rèn)為：當(dāng)安時(shí)容量衰減20%或者輸出功率衰減25%時(shí)，電池的壽命就到了。但是，這并不是說(shuō)車就不能開(kāi)了。對(duì)于純電動(dòng)車EV來(lái)說(shuō)安時(shí)容量的估算更重要一些因?yàn)樗c續(xù)航里程有直接關(guān)系而功率限制只是在低SOC的時(shí)候才重要。對(duì)于HEV或者PHEV來(lái)說(shuō)，功率的變化更為重要這是因?yàn)殡姵氐陌矔r(shí)容量比較小，可以提供的功率有限。從以上這些不難看出算法才是BMS的核心。其他的都是為這個(gè)算法服務(wù)的。所以當(dāng)有人聲稱突破了或者掌握了BMS的核心技術(shù)，應(yīng)該問(wèn)問(wèn)他到底做了BMS的什么？是算法還是主動(dòng)均衡或者只做BMS的硬件和底層軟件？或者只是提出一種BMS的結(jié)構(gòu)方式如積木方式？
有人說(shuō)特斯拉之所以牛，是因?yàn)樗腂MS可以管理7104節(jié)電池。這是它牛的地方嗎？它真的是管理7104節(jié)電池嗎？特斯拉model S確實(shí)用了7104節(jié)電池，但是串聯(lián)在一起的只有96節(jié)，并聯(lián)的只能算一節(jié)電池不管你并聯(lián)多少節(jié)。為什么？因?yàn)槠渌镜碾姵亟M也是只計(jì)算串聯(lián)的個(gè)數(shù)而不是并聯(lián)的個(gè)數(shù)。特斯拉憑什么要特殊呢？實(shí)際上凡是能夠輕易就能夠仿照的都不能算是核心技術(shù)因?yàn)槿巳硕寄軌蜉p易做到。所以，即使你能夠算也不能聲稱掌握了BMS的核心技術(shù)。比如幾乎所有國(guó)內(nèi)的BMS算法都是電流積分加開(kāi)路電壓。這根本不能算是核心技術(shù)。
中國(guó)新能源汽車均衡問(wèn)題出在哪里？
某公司靠其核心技術(shù)--主動(dòng)均衡技術(shù)榮獲高工鋰電金球獎(jiǎng)。聲稱它的主動(dòng)均衡技術(shù)能夠延長(zhǎng)電池壽命30%續(xù)航里程20%。這一看就不靠譜。為什么？根本無(wú)法定量。你和誰(shuí)比能夠延長(zhǎng)壽命30%呀？和自己比有意義嗎？和沒(méi)有均衡比嗎？那你的水平就差遠(yuǎn)了。和別人比，應(yīng)該與最好的比才有意義。世界上不說(shuō)最好至少還可以的BMS都沒(méi)有均衡問(wèn)題。你怎么延長(zhǎng)壽命30%呀？延長(zhǎng)續(xù)航里程也是一樣的道理。比如Fiat500e,它的SOC容許一直放到5%。請(qǐng)問(wèn)你還怎么延長(zhǎng)20%的續(xù)航里程呀？再進(jìn)一步說(shuō)，主動(dòng)均衡難嗎？硬件2008年TI就向我推銷它的主動(dòng)均衡IC了。算法不外乎是同模組到電池相互均衡和不同模組之間的電池相互均衡。通用汽車公司早在6-7年前就已經(jīng)完成了仿真驗(yàn)證。連文章都有了。不信的話，可以去看SAE會(huì)議論文。從算法角度講完全沒(méi)有難度可言。而且主動(dòng)均衡根本也不是網(wǎng)上說(shuō)的是“主動(dòng)均衡功能一直以來(lái)是國(guó)外產(chǎn)品的殺手锏”。真是語(yǔ)不驚人死不休。國(guó)外為什么基本上不用主動(dòng)均衡呢？主要是考慮到成本問(wèn)題。如果被動(dòng)均衡就能夠搞定，為什么要用主動(dòng)均衡呢？國(guó)內(nèi)為什么極力鼓吹主動(dòng)均衡呢？我認(rèn)為主要是被動(dòng)均衡搞不定。說(shuō)起被動(dòng)均衡，絕大多數(shù)人告訴我說(shuō)是因?yàn)閲?guó)內(nèi)電池質(zhì)量太差一致性不好。但是通過(guò)交談我發(fā)現(xiàn)根本原因在于概念不清、方法不對(duì)。要不然怎么會(huì)開(kāi)車時(shí)均衡會(huì)越均衡越差？均衡的效果是可以計(jì)算出來(lái)的。更不會(huì)去宣稱采用所謂的什么多重均衡技術(shù)。為什么要用多重均衡？分明是沒(méi)有一種手段可以搞定均衡。這還是中國(guó)名列前矛的國(guó)企。他們做BMS的人告訴我說(shuō)他們的車留有一個(gè)口用來(lái)做手動(dòng)均衡。不知道這是不是他們聲稱的多重均衡技術(shù)之一。不能完全責(zé)怪電池的一致性不好。也需要從自身找原因。我曾經(jīng)做過(guò)的車?yán)镉袃煽頟HEV的車，開(kāi)了才幾個(gè)月電池組內(nèi)的SOC相差高達(dá)45%。而且由于SOC、SOP的問(wèn)題，車在路上經(jīng)常拋錨。公司一致認(rèn)為是電池質(zhì)量問(wèn)題而且一致同意更換電池供應(yīng)商。但是我只是更改了算法，就把均衡的問(wèn)題解決了。電池組中電芯SOC的差別由45%降到了3%。現(xiàn)在車已經(jīng)行駛了十幾萬(wàn)公里了。拋錨的問(wèn)題再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)。
怎樣的算法才算核心技術(shù)？
從控制的角度來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的算法應(yīng)該有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：準(zhǔn)確性和魯棒性（糾錯(cuò)能力）。精度越高越好的道理在這里就不多說(shuō)了。前面提到的電流積分加開(kāi)路電壓實(shí)際上是用開(kāi)路電壓糾錯(cuò)，但是這種方法與在線實(shí)時(shí)糾錯(cuò)相比，顯然魯棒性差遠(yuǎn)了。這是為什么國(guó)外大公司都在用在線實(shí)時(shí)估算開(kāi)路電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)糾錯(cuò)的原因。不是說(shuō)你自己能夠生產(chǎn)BMS就是掌握核心技術(shù)，如果你做不到別人難以企及的高度，憑什么說(shuō)你掌握了核心技術(shù)？
國(guó)內(nèi)一些人往往不知道別人的算法是什么，一看某個(gè)廠家做BMS就說(shuō)有BMS核心技術(shù)，這樣說(shuō)法是欠妥的。那些要花幾千塊錢去買的大部頭的書(shū)籍評(píng)論BMS優(yōu)劣的也根本不管各個(gè)BMS算法或者說(shuō)核心技術(shù)的區(qū)別。不比較核心技術(shù)來(lái)比較BMS有意義嗎？只看是不是為某個(gè)有名的OEM提供BMS就認(rèn)為牛，也不知道到底提供BMS里面的什么東西。是不懂裝懂呢，還是有一種崇洋的心情呢？
目前世界上BMS做得最好的應(yīng)該有什么特點(diǎn)呢？它可以在線實(shí)時(shí)估算電池組的電池參數(shù)從而精確估算出電池組的SOC、SOP、SOH，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)糾正初始SOC超過(guò)10%的誤差以及超過(guò)20%的安時(shí)容量的誤差或者百分之幾的電流測(cè)量誤差。美國(guó)通用汽車公司在6年前研發(fā)沃藍(lán)達(dá)時(shí)就做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試算法的魯棒性：將3串并聯(lián)在一起的電池組拿掉一串，這時(shí)內(nèi)阻增加1/3、安時(shí)容量減小1/3。但是BMS并不知道。結(jié)果是SOC、SOP 在不到1分鐘就全部糾正SOH隨后也被精確地估算出來(lái)。這不僅說(shuō)明算法的強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，而且說(shuō)明算法可以在電池的整個(gè)生命周期中始終保持估算精度不變。
對(duì)于電腦而言，如果出現(xiàn)藍(lán)屏，我們一般只需要重新啟動(dòng)電腦就算了。可是，對(duì)于汽車，那怕拋錨的概率只有萬(wàn)分之一也是難以容忍的。所以，與發(fā)表文章不同，汽車電子需要保證在任何情況下都能工作。做一個(gè)好的算法需要化極大精力去解決那些發(fā)生概率只有千分之一、萬(wàn)分之一的情況。只有這樣才能保證萬(wàn)無(wú)一失。比如說(shuō)當(dāng)汽車高速行駛在盤(pán)山公路上，大家所知道電池模型都會(huì)失效。這是因?yàn)槌掷m(xù)的大電流會(huì)很快消耗掉電極表面的帶電離子，而內(nèi)部的離子來(lái)不及擴(kuò)散出來(lái)，電池電壓會(huì)急劇下降。估算出SOC會(huì)有較大的誤差甚至?xí)?0% 以上的誤差。精確的數(shù)學(xué)模型就是數(shù)學(xué)物理方法教科書(shū)上講的擴(kuò)散方程。但是它無(wú)法用在車上因?yàn)閿?shù)值解的運(yùn)算量太大。BMS的CPU運(yùn)算能力不夠。這不僅是一個(gè)工程難題，也是一個(gè)數(shù)學(xué)和物理的難題。解決這樣的技術(shù)難題，可以化解已知的幾乎所有影響電池狀態(tài)估算的極化問(wèn)題。
BMS的狀態(tài)估算技術(shù)才是BMS的核心技術(shù)。盡管已經(jīng)過(guò)去了6年，目前世界上仍然沒(méi)有一家供應(yīng)商能夠做到這樣的高精度和高魯棒的水平來(lái)保證電池工作的萬(wàn)無(wú)一失。就連現(xiàn)在紅的發(fā)紫的特斯拉也望塵莫及。這不是在吹牛。特斯拉的粉絲一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)特斯拉在北京大街上被拖走的事跡吧。這樣的算法才是殺手锏！沒(méi)有這樣的技術(shù)怎么彎道超車？
