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节能与新能源汽车年鉴

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行业综述-电池管理系统

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行业综述-电池管理系统

作者:
王占国
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/07/20 10:38
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2018年是新能源汽车突飞猛进的一年,成为车市寒冬中的亮点。据统计2018年全球新能源乘用车销量突破200万辆,新能源汽车渗透率达到2.1%。全年全球新能源汽车销量一直保持着超过60%的同比增长率,其中中国品牌占据49%的市场份额,美国占据16%,德国占据7%。

 

2018年国内新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆,比上年同期分别增长59.9%和61.7%。其中纯电动汽车产销分别完成98.6万辆和98.4万辆,比上年同期分别增长47.9%和50.8%;插电式混合动力汽车产销分别完成28.3万辆和27.1万辆,比上年同期分别增长122%和118%;燃料电池汽车产销均完成1527辆。

 

随着新能源汽车全球突破式增长,对保证电池安全的关键部件动力电池管理系统的性能指标和可靠性也相应提出了更高的要求。2018年科技部重点专项中就明确规定:全寿命周期、宽工作温度范围内荷电状态(SOC)、功率状态(SOP)和健康状态(SOH)的估计误差绝对值≤3%,单体电池之间的最大温差≤2℃,功能安全达到ISO26262 ASIL-C。

 

一、电池管理系统发展情况

 

1、专利申报情况

 


通过专利检索2018年在电池管理方面新申请的专利情况如上所示,电池管理方面的专利主要集中在热管理、均衡、充放电控制、状态估算、故障诊断、高压互锁等方面,其中热管理、均衡、充放电控制分列前三位。随着高能量密度电池的广泛应用,动力电池热管理系统研究不断深入,相关方面的专利大幅度增加。

 

2、电池管理系统标准

 

2019年3月,BMS国标顺利通过审查,已经形成报批稿。新国标重点完善了电池管理系统的环境适应性,充分考虑电池管理系统汽车应用环境特点,电气环境适用性中新增了叠加交流电压、供电电压缓升缓降、供电电压瞬态变化等测试,机械环境适用性新增加了随机振动、机械冲击,细化了电磁环境适应性的测试项目,新增了电快速瞬态脉冲群抗扰度和静电发电等测试,分别从电气环境、气候环境、机械环境、电磁环境方面全面对电池管理系统的硬件可靠性进行评测,使电池管理系统的硬件可靠性从通用电气设备全面升级为汽车电子部件级别。

 

全面提升电池管理系统的电气安全性能要求,由于电动汽车具有高压动力回路,因此根据动力电池系统电压等级以及系统绝缘方式,提升了绝缘电阻和耐压测试中试验电压等级,有效地提高电池管理系统的安全性,保障了动力电池系统及整车的系统安全。

 

首次将电池管理系统SOC估算的硬件设计要求与控制策略进行系统划分,详细分析了SOC估算误差的影响因素,将与BMS硬件设计相关的SOC估算累积误差的要求提高到5%,并针对不用应用车型,选择两种运行工况和多个温度点进行试验;而与电池模型以及控制算法密切相关的初始误差仅给出推荐测试方法,充分保障电池管理系统SOC估算精度评估的正确性和科学性,有利于合理利用动力电池,延长电池组的使用寿命。

 

另外,针对动力电池工程应用中,与厂家技术方案以及电池状态密切相关的SOP估算精度和均衡问题,标准也给出推荐测试方法。标准首次给出SOP的定义,采用试测+曲线拟合的方法,即保证测试精度又确保了测试的可操作性。均衡测试考虑了主动均衡和被动均衡不同技术路线,设置了偏高的SOC和偏低的SOC,采取单体放电容量差进行均衡效果评估,充分降低单体一致性差异对测试的影响。

 

3、国内主要电池管理系统厂家及产品应用情况

 

2018年根据不完全统计,国内电池管理系统的市场仍然处于整车企业、电池企业和第三方企业三分天下的局面。2018年BMS装机量排名前20的企业共计装机99.7万辆,占总体BMS装机量的79%,其中位于前10的企业分别是比亚迪、宁德时代、上海捷能、北汽新能源、亿能、华霆动力、奇瑞、电装电子、贵博新能源、PREH。

1)第三方企业
第三方BMS企业在技术布局、人才配备等方面具有较高的专业性,同时参与的企业数量也最多,2018年BMS装机量排名前20的企业中,第三方企业占比为50%,排名前三分别为上海捷能、惠州亿能、华霆动力。

 

2)电池企业
国内排名前列的电池企业主营业务覆盖了从电芯到电池包的全过程,包括电芯、BMS、PACK等多个环节,将BMS配备在自行研产的动力电池系统中。2018年BMS装机量排名前20的企业中,电池企业占比为25%,排名前三的分别为宁德时代、上海卡耐、深圳比克。

 

3)整车企业
国内实力较强的整车企业都将业务拓展到上游产业链,凭借资本优势,通过收购、战略合作等方式将BMS业务纳入版图。国内主流企业比亚迪、北汽、奇瑞、长安、吉利等均有专门的BMS研发团队或业务,不过一般仅为自产电动汽车配套相应产品。而江淮汽车则通过与华霆动力进行战略合作的方式,来布局BMS领域。2018年BMS装机量排名前20的企业中,整车企业占比为25,排名前三的分别为比亚迪、北汽新能源、奇瑞。

 

比亚迪电池有限公司:产品涵盖私家车、出租车、城市公交、道路客运、城市商品物流、城市建筑物流、 环卫车七大常规领域,以及仓储、港口、机场、矿山四大特殊领域。2018年比亚迪BMS装机量为22.5万辆,排名第1位。绝大部分是乘用车,占比达到94.3%,全部供应自产车型;客车BMS装机量为1.2万辆,占比5.3%,主要配套比亚迪和广汽比亚迪。

 

宁德时代新能源科技股份有限公司:目前已与国内众多家主流车企建立合作关系,并率先进入国际顶尖车企的锂离子动力电池制造商供应链。2018年BMS装机量为19.7万辆,排名第2,其中乘用车占比65%,主要配套客户有北汽新能源、豪情、东风、广汽、威马、吉利、东风等;客车占比26%,主要配套宇通、中通、湖南中车、厦门金旅、金龙、厦门金龙、安凯汽车、申龙、江铃、北汽福田等企业;专用车占比9%,主要配套东风、江铃、吉利、上汽大通、宇通重工、福建龙马等企业。

 

上海捷能汽车技术有限公司:专注于混合动力和电动汽车的动力系统集成和控制集成的开发,主要依靠上汽技术中心的整车开发能力,通过广泛合作,开发电池系统、电力电子技术和其他配套零部件。2018年BMS装机量为10.8万辆,排名第3位,全部为乘用车,主要配套上海汽车、上汽通用等企业。

 

北京新能源汽车股份有限公司:国有控股高科技上市公司和全球领先的绿色智慧出行一体化解决方案提供商,构建了全新平台正向开发的新能源整车体系化能力。2018年北汽新能源BMS装机量为9.5万辆,排名第4位,绝大部分为乘用车,占比达到94.70%,全部配套自产车型;专用车占比为5.3%,主要配套北汽新能源、北汽和昌河汽车。

 

惠州市亿能电子有限公司:集研发、销售、制造、服务为一体,是国内领先、市场占有率高的电池管理系统及电池系统总成专业供应商。2018年BMS装机量为5.9万辆,排名第5位,其中乘用车占比95.40%,主要配套江淮、江铃、长城、海马、一汽、卡威、北汽等企业;客车占比0.2%,主要为宇通配套;专用车占比4.4%,主要配套江淮、北汽、云南航天神州、东风、江铃、陕汽、山西成功等。

 

华霆动力技术有限公司:主要从事纯电动汽车动力系统总成及部件研发及制造。2018年BMS装机量为3.7万辆,排名第6位,乘用车占比99.4%,主要为江淮、吉利、豪情、云度、上汽通用、东南汽车等提供配套;专用车占比0.6%,主要为赣州汽车、山东凯马、江西玖发等提供配套。

 

奇瑞新能源汽车技术有限公司:集新能源汽车研发、生产、销售、售后维修等一体化业务的企业,已经逐步建立起国际化的整车开发流程和标准体系,拥有国内先进的电动化系统实验室和一流的研发团队。2018年BMS装机量为3.4万辆,排名第7位,全部为乘用车,为奇瑞汽车和奇瑞商用车提供配套。

 

上海卡耐新能源有限公司:专业从事动力锂离子电池研发、生产和销售。2018年BMS装机量为2万辆,排名第12,全部为上汽通用五菱提供配套。

 

深圳比克动力电池有限公司:已经发展成为集锂离子电池、电动汽车、电池回收三大核心业务为一体的国际领先的新能源企业。2018年比克BMS装机量为1.9万辆,排名第14位,乘用车占比93.6%,主要配套领途、海马、郑州日产、上汽通用五菱、东风、东风柳州、东南汽车、江南汽车等;专用车占比6.4%,主要配套东风、一汽、重庆长安、金龙、海马、北汽福田、江铃等。

 

二、技术突破

 

产品性能质量稳步提高:通过导入汽车电子开发流程和设计方法,功能安全在电池管理系统的实施,并且通过模块化、去线束化不断提升生产、维护过程控制水平,BMS产品质量稳步提高,可靠性方面大大改善,基本可以达到50ppm的质量水平;

 

专用 ASIC 技术更加成熟:BMS前端采用AFE芯片进一步提升系统的采集精度、采集周期、硬件滤波算法、同步性、通讯速度、集成度等方面的性能指标。电压采样的菊花链的连接方式级联方案也已经批量应用,在电气隔离、通讯速率、成本、可靠性等方面与原有的光电隔离或电磁隔离相比均具有较大优势。

 

OTA应用取得阶段性成果:以 OTA 为标志的信息化、智能化发展也延伸到 BMS 领域,目前已有厂商实现了 BMS 的 OTA 固件更新功能。与传统的进店维护相比,OTA 可以更快的实现产品的功能迭代,提升用户体验。

 

三、BMS产业面临的问题

 

1)AutoSAR基础软件架构开发
汽车电子不断推行AutoSAR软件架构,但是由于国内基础软件供应商偏少,并且软件架构并未与MCU、应用软件实现完全互联互通,导致软件开发投入大,周期长等问题。急需行业甚至国家支持国内基础软件的开发,充分发挥国内互联网相关人才优势,尽快实现汽车电子领域软件的国产化。

 

2)高性能SOX估算功能适应性
SOX估算功能对电池适应性还有进一步提升空间,尤其是电池系统全生命周期的估算精度的保证能力。目前高校、科研单位做了很多理论研究工作,需要同合适的途径,进行产业化的验证、迭代、优化。

 

3)电池系统热电能量交互和利用技术
高能量比电池的广泛应用对电池热管理系统的重要性进一步提升,目前热管理还是存在能耗较高等问题,尤其在低温下对电动汽车的续航里程影响较大,亟待在热电能量交互和利用技术方面取得实质性突破。

 

四、BMS发展趋势

 

更加智能化的能量管理:通过对单体电芯的建模和自学习功能,结合云端监控平台的大数据挖掘和分析,在电池系统的全生命周期内实现更精确的SOC,SOH,SOE的计算,以满足电动车辆运行、维护以及梯次利用的需求。

 

更高效高精度的热管理系统方案:热管理方案目前还处于满足基本要求阶段,未来产品对热管理技术的控制精度将越来越精细,绝对温度的控制范围更宽泛,需要进一步从理论仿真和实验研究两方面入手,探索新一代更加高效的动力电池热管理方案。

 

功能安全的进一步产业化实现:功能安全认证将成为电池管理系统的一个基本技术门槛,各个OEM根据自身的需求提出不同的功能安全要求,并从OEM的角度去审核产品的符合性。

 

梯次利用促使BMS技术升级:随着梯次利用市场逐渐开启,退役电池的特性为BMS带来巨大挑战,BMS需要能够在电池全生命周期内进行管理,因此BMS技术将由现有“硬件+算法”的体系升级为“数据+主动式管理”的体系。


 

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