主機廠都為他們的電動汽車配備了BMS,那為何還是不能制服電動汽車的火爆脾氣,防止或減少冒煙、自燃甚至爆炸事故呢?顯而易見,上述BMS是有線連接方式,一旦因汽車惡劣環境而出現線纜連接問題,系統便形同虛設了。

近日,比亞迪股份董事長王傳福在“2021我國電動汽車百人會論壇”上呼吁,將電池針刺試驗納入國家強制標準……但是,這就可以消除大多數發熱自燃的事故隱患嗎?另外,主機廠不是都在電動汽車上搭載了BMS(電池管理系統)嗎,怎么關鍵時刻掉鏈子呢?是像王傳福建議所指從電池入手,還是在BMS上做文章,哪個更加有普遍意義呢?

為何發熱、冒煙、自燃?

電動汽車自燃的原因很多,但八九不離電池。王傳福的“將電池針刺試驗納入國家強制標準,繼續完善電動汽車安全法規標準,因為針刺試驗是動力鋰電池測試中非常有效、苛刻的一種方法”并沒有錯,但針刺試驗只涉及電池化學類型和電池包設計是否經得起針刺,并沒有覆蓋電池自燃的更多原因。

三種動力鋰電池針刺測試結果

問題在于自燃是在什么情況下發生的:

是否電動汽車都是在路上跑著因外力用途所致?車停在那里或是在充電,并沒有刺穿,也沒有碰撞,也會燒起來。

除了電池本身刺穿,是否還有更多其他因素,如顛簸、碰撞、進水所致電路短路等?

因此,針刺可能有以蠡測海之嫌。

眾所周知,燃燒的最重要條件就是溫度。夏天高溫,純電動汽車或其他車型都容易發生自燃,因為電池、電路最怕高溫,超過溫度臨界點就會引起局部發熱,出現冒煙直至自燃。

可是,在寒冷的冬天,電動汽車自燃事故也不少。雖然外界環境溫度很低,但顛簸、碰撞、積水路段行駛、電池電解液泄漏等都可能導致電池正負極或相關線路短路,使局部接觸電阻變大出現高溫,也就是熱失控,引燃周圍材料。

在現有電池化學條件下,要從電池本身防止發熱自燃還不太可能,磷酸鐵鋰和三元鋰電都有自燃發生,雖然也有廠商稱其電池“永不自燃”,能信么?因此,必須利用一些手段來監測和控制電池發熱,保證其在正常溫度條件下供應電力。

電池監控已成標配

分析表明,目前切實可行的辦法還是撇開電池材料乃至電池包設計,從電池使用角度解決如何及時發現電池異常,迅速采取措施的問題。這就是人們熟知的BMS。

不管是什么類型電池,都要在有限溫度和工作電壓范圍內工作,以獲得最佳性能和最安全運行,同時還要防止生產工人、車主、機械師和車輛回收商免受高壓和電擊,并防止電池穿刺和沖擊損傷,防止電池中泄漏或排出液體和氣體的影響。

與ICE車輛比,動力鋰電池安全高效工作的溫度范圍更加有限,還要考慮車輛使用或充電中電池組設計的熱安全。因此,監測電池電壓和溫度就成為了動力鋰電池最佳性能和最安全操作的保證。每種類型電池的電壓和溫度范圍都不相同,超出此范圍就可能發生不良副反應,從而導致過度自熱、內部電氣短路,這是級聯熱失控的第一步,是最大的安全隱患。

為了使電池組保持在安全工作范圍,可以使用電池監測ASIC(專用集成電路)來測量電壓、溫度和電流,并將數據傳輸到電池控制單元。電池單元電壓和溫度傳感器連接到電池監測ASIC;控制處理器通過讀取測量信息來計算電池的當前狀態,確保操作在安全范圍內進行。關于高壓電池組,監控ASIC以堆疊配置排列,每個ASIC并行測量多個單元。命令和數據通過一個隔離通信接口從ASIC傳輸到ASIC。

BMS示例

通常,電動乘用車有16、96、128或更多電池單元要測量;而電動商用車電池單元數可能翻番。電池監控系統中有許多印刷電路板(PCB)、傳感器和監控ASIC,這些組件之間的通信連接會因上述原因開路,造成通信中斷。這時,電池控制系統法再管理電池組中電池的狀態。

主機廠都為他們的電動汽車配備了BMS,那為何還是不能制服電動汽車的火爆脾氣,防止或減少冒煙、自燃甚至爆炸事故呢?

顯而易見,上述BMS是有線連接方式,一旦因汽車惡劣環境而出現線纜連接問題,系統便形同虛設了。

傳統BMS面對的挑戰包括:

第一,每節電池都必須通過電纜連接一個監視器,布線復雜;

第二,線束和連接器易于出現影響可靠性的故障,要頻繁維護,保修費用較高;

第三,為了使線纜連接更可靠,要使用粗重的銅線,系統中粗大而笨重的電纜會影響續航能力、組件成本和安全性。

因此,為了實現更高標準的安全要求,必須對電池管理系統進行創新,以實現以下一些新的功能:

用高精度電池監控來確保滿足最嚴格的功能安全標準

用冗余通信協議供應容錯性,確保電池組的健康和安全狀態

改變連接方式,確保這些監控系統的通信功能萬無一失

早在2017年三月,當時的凌力爾特(LinearTechnology,2019年六月被ADI(AnalogDevices)收購)在慕尼黑上海電子展上演示了業界首款無線電池管理系統(WBMS)概念車。公司國際銷售副總裁DavidQuarles、DustNetworks產品總裁JoyWeiss進行了現場公布。

DavidQuarles表示:“無線BMS概念車由設計合作伙伴歐洲電池制造商LIONSmart開發,它將凌力爾特高度準確的電池組監視器及SmartMesh?無線網格網絡產品在寶馬BMWi3車型上進行了整合,取代了電池組和電池管理系統之間的傳統有線連接。BMS的此項重大突破解決了由于汽車線束及電動汽車和混合動力汽車中連接線引起并長期存在的可靠性問題,并簡化了BMS設計和制造。”由LIONSmart開發的新電池概念叫“LIGHTBattery”,具有模塊化、安全和無線特性。

JoyWeiss介紹說,相比有線BMS系統,SmartMeshWBMS具有四個方面的優勢:

更安全:SmartMesh采用128位加密的專用網絡,利用路徑分集和跳頻可實現大于99．999%的可靠性,防止導線、連接器破損引起的系統故障

更智能:很容易新增更多傳感器,有助于改善SOC(續航里程)和SOH(使用壽命)

更環保:每輛典型車輛可節省10m導線及0．5kg的連接器和變壓器,每生產50,000輛車將節省500km導線和25,000kg的連接器和變壓器

更便宜:可較低BMS總成本和組裝成本,將來的硅片可能比導線和連接器更便宜

ADI電池管理系統事業部總經理HermanEiliya在“2021我國電動汽車百人會論壇”上表示:“BMS是電動汽車動力鋰電池系統的重要組成,它是連接電池與用戶之間的紐帶。”

據他介紹,與其他競爭技術相比,ADI的5%高精度電池監控技術可以提升10%-15%的電池可用容量和相應行駛里程。“我們能夠保證1%的誤差。不必像傳統BMS要有人檢查電池,無線BMS可以時時刻刻持續監測電池狀態,節省人工檢測成本。由于整個系統都是無線運行,關于擁有非常豐富產品組合的主機廠益處良多,”他說。

WBMS成硬核,廠商各顯神通

隨著電動汽車對輕量化、可靠性、智能化要求的提升,半導體廠商、電池制造商和主機廠都已經意識到:WBMS將是解決傳統BMS難題的有效解決方法。剩下來的事情就是看誰有能力從早期研發階段步入產業化,吃到更大的市場蛋糕了!

2019年三月,蜂巢能源與SensataTechnologie簽署無線通信BMS合作預研備忘錄,加速WBMS產業化進程。雙方將深入合作開展無線通信BMS項目,預計將在2021年推出首款量產的無線通信BMS產品。

Sensata首席執行官MarthaSullivan認為:“目前BMS常用通信方式包括CAN及菊花鏈,前者技術成熟,穩定性強,但整體占用空間大,功耗高,成本高;后者雖然成本低,但EMC難度大,可擴展性差。”

他介紹說,與傳統BMS傳輸方式相比,無線通信BMS方式功耗低,可擴展性強,成本適中,同時可減少電池包內線束,簡化Pack(電池包)結構,提升整包能量密度,主從板間無高壓風險,相比CAN及菊花鏈更安全,是未來電池管理系統的發展方向。

無論是CAN總線還是isoSPI總線,都是將電池監控芯片串聯起來,一旦某處連接出現問題,整個系統都將癱瘓。而無線通信BMS可以減少接插件失效風險:單點失效對整體的影響有限,且在網絡中添加和刪除新節點也比較靈活。

在電池布局方面,無線連接方法使電池組位置選擇更加靈活,同時具備更好的可擴展性,可根據應用需求輕松新增溫度、電流等傳感器,在惡劣環境中更具備時間同步的優勢。

對電池而言,采用無線既減少了低壓線束,有助于降低成本和實現輕量化,也降低了電池包復雜度,使模組獨立性更強,在系統集成制造、甚至梯次利用上都更為便利。