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谈谈窘境下的BMS:应用中暴露的问题值得思考

导读: 目前为了提高车辆的性能,各家车企都在尝试为自己的新能源车型上添加比能量更高的动力电池。新能源汽车行业似乎兴起了一场高比能量电池的技术风潮。

新能源汽车产业冉冉升起的当下,伴随着新能源汽车数量的激增,关于各类新能源汽车事故的报道也逐渐进入了公众视野。新能源汽车的安全问题已经成为各方关注的社会热点问题。

据不完全统计,自2010年以来,我国新能源汽车安全事故共有49例,分析这49例事故,充电、电池故障、碰撞、涉水是引发安全事故的主要诱因,而其中电池故障导致的事故超过总量的50%。引发电池故障的诱因是多种多样的,但主要表现在动力电池在热滥用、电滥用和机械滥用等因素下导致动力电池的能量集中释放,其中包括电能的释放和化学能的释放,最后集中表现在动力电池出现热失控扩展而引发车辆的燃烧和爆炸上。

目前为了提高车辆的性能,各家车企都在尝试为自己的新能源车型上添加比能量更高的动力电池。新能源汽车行业似乎兴起了一场高比能量电池的技术风潮。动力电池比能量越高,也意味着发生事故后的造成的危害也就越大,乘车人员也面临着更高的安全风险。一支能量密度在350wh/kg的高比能量电芯,其发生热失控时释放温度可以高达1200℃。而车辆电池包中往往包含成百上千支电芯,一旦发生安全事故,后果是难以想象的。同时除了由热失控扩展造成的燃烧、爆炸外,乘客还将有可能面对电能释放和化学物质外漏造成电侵害和化学侵害的问题。新能源汽车的安全技术面临着严峻的挑战。

工程师们都在想方设法提高新能源汽车的安全性能,以减少车辆事故的发生概率,降低事故发生时乘车人员的损害,提高事故发生后乘车人员被救助的几率。除了通过对整车的结构设计进行优化,对车体材料进行升级,完善车辆的安全系统,工程师们还把目光聚焦在新能源汽车的动力电池系统上。

新能源汽车动力电池系统主要由电芯+BMS+热管理组件和封装材料构成,动力电池系统安全性的提升依赖于安全优质的电芯,先进的BMS技术,完善的热管理系统,成熟的构型技术、防护系统设计和保护电路等,而BMS作为串联各种功能的“指挥官”,成为提高新能源汽车安全性能的关键。

BMS的主要职能是对新能源汽车的动力电池系统进行安全监控和管理。受到新能源汽车整车技术线路的影响,车辆搭载的BMS系统也会有略微的区别。但BMS的基本功能至少包括:电池参数检测(SOC、SOH、SOE)、故障诊断、安全控制与报警、均衡控制、温度控制、功能安全、EMC等。BMS对动力电池系统的安全管理,特别是对动力电池系统热失控的预防和处理,对新能源汽车安全性能的提升尤为重要。

BMS在设计上应该对热失控发生的诱因进行预防和排除。在整体设计上要考虑到车辆可能出现的电滥用(过冲、过放、电器短路等)、热滥用(热积累、温度组件失控等)、机械滥用(碰撞、倾覆、穿刺、跌落等)。BMS对车辆的电池系统发生的热失控管理可以分为初发热失控和热失控扩展两个方面。在初发热失控阶段,BMS通过内置的芯片和传感器,对电芯的电压、温度等数据的收集,分析电芯的工作状态。当热失控出现时,BMS锁定处于异常状态的电芯,向乘车人员发出警报。通过判断电芯出现异常的原因,BMS可以利用均衡、降温、加热、隔离等手段抑制热失控,防止热失控扩展的出现。在车辆的动力电池系统进入热失控扩展后,BMS在发出警告的同时,调节动力电池换气系统,加大水冷却,开启灭火措施,对电芯进行局部或整体的熔断,切断动力电池系统的电力供应,抑制热失控扩展的发展。

BMS技术近年来已经有了很大提升,很多方面都已经进入实际应用阶段,但有些部分仍不够完善,与三电技术相比,BMS还不是很成熟,具备很大的提升空间。在数据收集方面,例如SOC(电池剩余容量)参数对动力电池的放电调节、电池安全、使用寿命,以及对充电机CAN通讯等造成直接影响的估算精度方面还有很大的进步空间。在热管理组件方面,先进的BMS已经可以将放电温度调节在±2℃以内,而大部分的BMS系统的调节误差在±5℃,未来还可以进行突破。

除了BMS上的问题外,BMS在应用中暴露出一些问题同样值得思考。典型的例子就是BMS和整车电控系统的协调这个说大不大说小不小的问题。

我们知道,BMS采取安全应急措施是基于动力电池系统工作状态而决定的。但在新能源汽车实际使用过程中,BMS需要收集更多的参数才能做出正确的决定。新能源汽车在静止充电或低速行驶时,动力电池系统出现热失控扩展,BMS进行断电处理是正确的判断。但车辆在高速公路高速行驶的过程中出现类似状况,BMS进行断电处理则有可能酿成事故。这也是车辆的BMS系统未能同整车的电气系统进行协调导致的典型问题。

BMS在检测到热失控后进行报警,提示给驾驶员。驾驶员是否会采纳?驾驶员是否会因为BMS的报警而受到惊吓,酝酿出更加严重的问题?特别是新能源客车,乘客在得知车辆出现危险后,会不会因逃生而发生拥挤和踩踏事故,造成不必要的人员伤亡?车辆的电气系统能否及时做出协同,比如亮起车辆的双闪,辅助降低车速?如果能将车辆外部传感器的数据导入到BMS中,则可能使BMS做出更加准确的判断,那么这些问题也许就能解决。

近年来国内的专家学者已经开始了针对BMS和整车协调问题进行研究和探索,但想要解决这一问题,还面临着较大的困难。车企和BMS企业虽然都有可能意识到其中存在的安全隐患,但由于缺乏相关的政策规范,目前BMS和整车的电气协同问题目前还处于模棱两可的状态。对于车企而言,这可能意味着将要支付巨额的生产成本,而对于BMS企业而言,在向车企开放接口的过程中则有可能导致核心技术的泄漏,从而丧失市场竞争优势。

新能源汽车产业的蓬勃发展,产品的安全属性是基石,没有了这块基石再辉煌的产业也将变成空中楼阁。未来新能源汽车将面临更加严峻的挑战,我不杀伯仁,伯仁因我而死。整车和BMS企业除了在自身各项技术的提升上下功夫,还应将新能源汽车作为一个有机整体考虑各个部件、各项技术之间的衔接和协同问题,真正将使用者的生命财产安全放在第一要位,也只有这样,新能源汽车产业才能在坚固的根基上实现飞跃。

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