j電子發(fā)燒友報(bào)道（文/程文智）根據(jù)Marklines統(tǒng)計(jì)，2020年全球電動(dòng)汽車的總銷量為289.24萬輛，同比上升了45%。其中，中國區(qū)銷量最大，2020年全年銷售了120萬輛，緊隨其后的是德國的40.4萬輛和美國的32.4萬輛。這其中特斯拉貢獻(xiàn)最大，全年售出了45.9萬輛。
圖：全球電動(dòng)汽車2020年12月及全年銷量統(tǒng)計(jì)（單位：輛）。（數(shù)據(jù)來源：Marklines，東吳證券研究所）
我國電動(dòng)汽車的銷量雖然很大，但其實(shí)我國電動(dòng)汽車行業(yè)仍然處于發(fā)展初期，發(fā)展?jié)摿�很大。根據(jù)國務(wù)院辦公廳在2020年11月2日發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，我國新能源汽車銷量要達(dá)到汽車總銷量的20%左右。
BMS系統(tǒng)為何重要？
電動(dòng)汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的地方在于，電動(dòng)汽車有“三電”系統(tǒng)，即電機(jī)、電池和電控系統(tǒng)。其中電控系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，以管理電池組和控制電池的能量輸出和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。
在汽車電機(jī)控制系統(tǒng)中，整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)，對整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要的影響。
圖：BMS方框圖。（來源：ST官網(wǎng)）
一般來說，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是由幾千個(gè)小電芯組成的，電池包的組成主要包括電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和BMS。BMS是對電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測和管理整個(gè)電池組的工作狀態(tài)，其中包括估測電流的電荷狀態(tài)、檢測電池的使用狀態(tài)、管理電池的循環(huán)壽命、在充電過程中對電池進(jìn)行熱管理、啟停鋰電池冷卻系統(tǒng)，同時(shí)也管理單體電池間的均衡，防止單體電池過充、過放產(chǎn)生的危險(xiǎn)。也就是說，BMS是一個(gè)保護(hù)動(dòng)力鋰離子電池使用安全的系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車的安全使用提供保障。
BMS作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機(jī)的重要紐帶，它需要處理的很多的信號，包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。因?yàn)橐淮芜^放電就會造成電池的永久性損壞，極端情況下鋰電池過熱或者過充電會導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。因此，BMS要進(jìn)行嚴(yán)格的控制充放電，避免過充、過放、過熱。
電池在不同的溫度下會有不同的工作性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為25℃~40℃。BMS可以通過均衡改善不一致性，提升鋰電池整體性能。
由于鋰電池具有高能量密度，目前的電動(dòng)汽車大都是以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來源。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時(shí)電量存在細(xì)微差異，且隨著工作環(huán)境改變等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。
而通過BMS能準(zhǔn)確量測電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計(jì)算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為可理解的續(xù)航力信息，確保動(dòng)力電池安全運(yùn)作。
也就是說，一個(gè)好的BMS系統(tǒng)能夠更好地防止汽車自燃事故、有效規(guī)避充電導(dǎo)致的起火事故等等，能夠大大降低電動(dòng)汽車安全事故的發(fā)生概率。
BMS玩家有哪些？
BMS系統(tǒng)很重要，是動(dòng)力電池組的核心技術(shù)，也是衡量一部電動(dòng)汽車整車性能的最為關(guān)鍵指標(biāo)之一。根據(jù)公開資料顯示，BMS系統(tǒng)具有很強(qiáng)的技術(shù)壁壘，需要長時(shí)間的技術(shù)研發(fā)，它的成本約占電池組成本的20%左右。那么，目前主流的BMS系統(tǒng)是由哪些廠商提供的呢？
目前BMS市場參與者目前主要分三類：一類是軟硬件都是自己設(shè)計(jì)并生產(chǎn)；二是企業(yè)自主開發(fā)應(yīng)用軟件，而硬件底層由供應(yīng)商開發(fā)和生產(chǎn)；三是所有軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都是企業(yè)自主開發(fā)，硬件找第三方公司貼牌生產(chǎn)。
根據(jù)NE時(shí)代統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2020年BMS的出貨量中，寧德時(shí)代以22.8萬套排名第一，市場份額為18.4%，其出貨量主要靠造車新勢力的拉動(dòng)；比亞迪以15.4萬套緊隨其后，市場份額為12.4%，不過其BMS外供進(jìn)程不如電池，希望2021年能夠有大的突破；特斯拉基本上靠自家汽車的出貨量就將BMS的出貨量拉到了13.8萬套；而華霆?jiǎng)恿t依靠2020年Q4季度大紅的宏光Mini，同比大幅增長350.1%。
圖：2020年中國TOP10BMS企業(yè)。
BMS芯片級解決方案供應(yīng)商有哪些？
所有的BMS系統(tǒng)的硬件都需要芯片的支持，那么在芯片層面有那些廠商可以提供支持呢？BMS芯片解決方案的供應(yīng)商主要有TI、英飛凌、NXP、ADI、瑞薩、ST和安森美等企業(yè)。這些企業(yè)在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中耕耘多年，其產(chǎn)品一直都在跟隨汽車行業(yè)的發(fā)展推出更創(chuàng)新的產(chǎn)品。
比如TI在今年1月份的時(shí)候，推出了無線BMS解決方案，據(jù)其新聞稿信息顯示，TI的無線BMS解決方案使汽車制造商能夠降低其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、提高可靠性并減輕汽車重量，從而延長行駛里程。得益于能夠靈活地跨生產(chǎn)模型調(diào)整設(shè)計(jì)，汽車制造商可以通過TI全面的無線BMS產(chǎn)品更快地過渡到生產(chǎn)階段，此類無線BMS產(chǎn)品包括：SimpleLink?2.4GHzCC2662R-Q1無線微控制器(MCU)評估模塊，軟件和功能安全驅(qū)動(dòng)工具(如安全手冊；失效模式與影響分析FMEA；失效模式影響和診斷分析FMEDA；TüVSüD概念報(bào)告等)。
該方案符合汽車安全完整性等級ASILD認(rèn)證，以及更高水準(zhǔn)的國際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）26262認(rèn)證。
與有線連接相比，TI通過CC2662R-Q1無線MCU實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的無線協(xié)議，可以提供業(yè)界出色的網(wǎng)絡(luò)可用性(超過99.999%)和300ms的網(wǎng)絡(luò)重啟更大可用性。該無線MCU可提供高吞吐量和低延遲的專用時(shí)隙以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞，同時(shí)使多個(gè)電池單元能夠以±2mV的精度向主MCU發(fā)送電壓和溫度數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率小于10-7。
考慮到汽車制造商的長期設(shè)計(jì)需求，TI的無線BMS創(chuàng)新技術(shù)在業(yè)界具有更高的可擴(kuò)展性。確定性協(xié)議可提供市場上更高的吞吐量，使汽車制造商能夠在不同的電池配置下(如具有32、48和60個(gè)電池單元的系統(tǒng)等)，將采用單個(gè)無線片上系統(tǒng)的電池模塊與多個(gè)BQ79616-Q1電池監(jiān)控器相連。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可支持多達(dá)100個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都達(dá)到業(yè)界更低的延遲(低于2ms)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測量均可實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。CC2662R-Q1無線MCU獨(dú)立于各個(gè)電池單元監(jiān)控裝置之外，不再需要菊花鏈隔離組件，因此也減少了相應(yīng)的成本。BQ79616-Q1電池監(jiān)控器和平衡器在同一封裝類型中提供不同的通道選項(xiàng)，同時(shí)提供了引腳對引腳的兼容性，并支持在任何平臺上完全重復(fù)使用既有的軟件和硬件。
除了TI有無線BMS解決方案外，其實(shí)ADI更早推出無線BMS解決方案，該公司在2020年9月中旬就推出了業(yè)界首款無線BMS解決方案，使汽車制造商能夠更加靈活地將電動(dòng)汽車平臺擴(kuò)展至多種車型實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
ADI公司的無線BMS免去了使用傳統(tǒng)線束的必要，節(jié)省了高達(dá)90%的線束和高達(dá)15%的電池組體積，提高了設(shè)計(jì)靈活性和可制造性，同時(shí)不會影響電池使用壽命內(nèi)的里程數(shù)和精度。
ADI公司的無線BMS將電源、電池管理、射頻通信和系統(tǒng)功能等所有集成電路、硬件和軟件整合在單個(gè)系統(tǒng)級產(chǎn)品內(nèi)，通過采用ADI公司經(jīng)過驗(yàn)證的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先BMS電池電芯測量技術(shù)，支持ASIL-D安全性和模塊級安全性。通過提高車輛使用壽命期間的精度，無線BMS系統(tǒng)可最大化單個(gè)電芯的能量利用率，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的車輛續(xù)航里程，并支持安全且可持續(xù)的無鈷電池化學(xué)材料，如磷酸鐵鋰(LFP)。
為了應(yīng)對汽車BMS設(shè)計(jì)的新型高度集成的解決方案，意法半導(dǎo)體（ST）推出了基于新的高度集成的電池管理ICL9963及其配套的隔離式收發(fā)器L9963T，該解決方案能夠以單菊輪鏈或雙向菊輪鏈配置提供多達(dá)14個(gè)串聯(lián)電池的最高精度測量，并嵌入復(fù)雜的電池監(jiān)視和診斷功能。它還符合嚴(yán)格的汽車安全完整性等級（ASIL）D要求。
L9963是用于高可靠性汽車應(yīng)用和儲能系統(tǒng)的鋰離子電池監(jiān)視和保護(hù)芯片。最多可以監(jiān)視14個(gè)堆疊的電池，以滿足48V和更高電壓系統(tǒng)的要求。每個(gè)電池電壓以及芯片上庫侖計(jì)數(shù)的電流都可以高精度測量。該設(shè)備最多可以監(jiān)視7個(gè)NTC。信息通過SPI通信或隔離接口傳輸。
多個(gè)L9963可以菊花鏈daisychain形式連接，并通過變壓器隔離的接口與一個(gè)主機(jī)處理器通信，具有高速，低EMI，遠(yuǎn)距離和可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。在正常和低功耗模式下均提供帶有可編程通道選擇。可以根據(jù)內(nèi)部計(jì)時(shí)器中斷自動(dòng)終止平衡。集成了九個(gè)GPIO，用于外部監(jiān)視和控制。L9963具有一套全面的故障檢測和通知功能，可以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。
此外，L9963也符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-D，內(nèi)建車用安全性之綜合故障偵測與通知功能，還具備SPI接口與能夠建立多個(gè)L9963高速通訊用的2.66Mbps垂直通訊接口，此21.66Mbps垂直通訊接口能使8顆芯片對高達(dá)96個(gè)電池元件進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換與讀取，且操作時(shí)間低于4ms，并可結(jié)合各類變壓器或電容性電隔離組合。
NXP面向汽車用的BMS解決方案種類有很多，包括12V、48V、高壓和電池連接應(yīng)用。它們在硬件和軟件方面進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)ASILD安全等級的功能安全。它們?yōu)樗衳EV應(yīng)用提供了一種平臺方法，有助于確保安全性、準(zhǔn)確監(jiān)測電量并延長設(shè)計(jì)的電池壽命。
除了上面提到的，還有瑞薩電子，安森美和英飛凌等芯片廠商都有自己的汽車級BMS解決方案可供客戶選擇。
結(jié)語
隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，BMS技術(shù)也在不斷進(jìn)步，其實(shí)BMS除了硬件系統(tǒng)很重要之外，軟件算法也很關(guān)鍵，比如特斯拉的BMS是目前最成熟的系統(tǒng)，這主要得益于特斯拉對深度學(xué)習(xí)和人工智能的充分應(yīng)用，其BMS可以不斷獲得實(shí)際駕駛的大數(shù)據(jù)，然后對算法進(jìn)行自我強(qiáng)化，從而使特斯拉電池組的續(xù)航時(shí)間相對更長，穩(wěn)定性相對更好。
未來希望國內(nèi)的BMS供應(yīng)商們能做出更加優(yōu)秀的BMS。
