现阶段所说的新能源汽车一般指用电池储能辅助或者全部替代内燃机为汽车提供动力。常见新能源汽车主要包括:混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)及其他新能源汽车等。不同种类的电动汽车由于其工作方式的差异,对电池的要求也有各种不同的要求,总体来说,都倾向于要求高功率密度,高能量又安全的电池产品。目前可作为车载动力电池的类型主要有阀控式密封铅酸电池(VRLA)、Cd-Ni电池、MH-Ni电池、锂离子电池(包括聚合物锂离子电池)等。
电池管理系统(BMS),是电动车的车身电池管理系统,对电池的使用起到保护的作用。电池管理系统是新能源汽车必备的重要零部件,与动力蓄电池组共同构成电池系统,为新能源汽车提供能力。电池管理系统的具体任务主要包括:采集电池组中单体电池的数据、与其他车上零部件进行数据通讯、估计电池组的工作状态(包括电池的荷电状态和健康状态)、对电池实施热管理、电池组之间单体的电量均衡、电池系统故障诊断及报警,有的还具备充电管理的性能。
北京华经纵横咨询有限公司长期从事汽车行业研究,我们定期向外界发布最新的研究成果,本期汽车行业研究红月刊课题为“电池管理系统发展探究”。
电动车的车身电池管理系统
电池管理系统的基本类型
当前断能源汽车的BMS主要有分配式Distributed、模块式Modular和中心式Centralized几种类型,下面简单介绍各种类型的BMS的相关特点。
分配式Distributed
这种类型的BMS需在每个电芯上连接电压监控和放电平衡装置,还需具备充电器状态和切断的数字通信功能。
这种设计的优点是十分简单可靠,缺点是当单体电芯体积较小、数量较大时在每个电芯上安装电路板(控制器)就会出现困难。
模块式Modular
这种类型的BMS是几个分控制器和一个主控制器构成的系统,主控制器获取分控制器的数据并通过其管理电池组。
这种设计的优点是不需要在每个电芯上安装电路板,但是在电动车用的BMS设计中采用这种主从式的设计在通讯技术上会遇到一定的挑战。
中心式Centralized
这种类型的BMS由一个中心控制器监控所有的电芯,在控制器的安装上十分便利,与车辆其他系统的通讯也十分便利,不足之处就是由于电动汽车电池组的形状都十分不规范,所以由中控到每个电芯的走线会十分困难。
电芯的选择
现有的电动汽车主要采用分配式和模块式两种设计,这主要是根据选用的电芯大小而设计的。现在国际上主流的两种电芯分别是韩国厂商常用的60Ah的方形电芯和以特斯拉(Tesla)为代表使用的笔记本电脑中常用的18650电芯,采用前者的BMS所需要管理的电池数量一般在80个左右,所以采用分配式的设计比较合适,但由于单体电芯容量较大,电芯内外的温差也较大,发生异常能最释放(如爆炸、起火)时的能量也较大,所以对电池组整体的温控要求较高,否则就会出现类似于杭州电动出租汽车自燃的事故。
特斯拉采用的18650屯芯本身能量较小,一旦发生爆炸威力也非常有限,所以通过合理的包装,电池组的安全性是有保障的。但正是因为能量较小,电池组所需的18650电芯数量十分惊人(由于18650电芯原本是用于为笔记本电脑供电的电源,所以体积相对来说要小很多)。特斯拉的敞篷纯电动跑车使用的电池组据说由8000多个18650电芯组成,使用分配式所要安装的电路板的数量是惊人的,同样用中心式的走线也是惊人的。
功能优异的BMS可以让每一颗电芯最大程度地放电,并在充电时保护所有电芯防止过量充电。之前国外相关业界人士称沃蓝达目前的电池放电比例只有50%,也就是整个电池组使用了一半的电盈的时候就“不敢”再继续放电了,因为个别电芯已经处于过放的临界状态。如果这个比例属实,就意味着沃蓝达是背着半个没用的电池在路上行驶,对车辆整体的能最使用效率都会产生一定的影响,成为车辆的一个“包袱”。
由于锂电池过充后果严重,所以BMS保护电池的另一方面就是防止电池过充,这就意味着电池在“充满”电时其实电量是不满的,这样车辆在刹车和下长坡时就可以充分回收能量以获得最大的节能效呆。
管理充放电和工作温度只是BMS最基本的功能,像静态、动态平衡及其他附加功能在新型的BMS里已经出现。总之,BMS的设计和功能还要根据车辆的选型、电池组的功率和电压要求及电芯的选择来设计。
电池管理系统的成本、价格
电池管理系统成本基本情况
电池管理系统除了必需的电池控制单元以外,针对每个电池都要有检测处理单元。因此,BMS的价格与电池包中的单体电池数量是成正比的。电动乘用车普遍的单体电池数量在100~200个,对应的BMS产品价格从2000~5000美元不等,换算成人民币约在1.3万元~3.4万元区间。
以具有代表性的16KWh锂动力电池包为例,BMS的购买成本占比达到了30%,而锂电池单体的成本占比为60%,BMS的市场规模约为动力电池的一半。
电池管理系统成本较高的主要原因
第一,技术不够成熟,设计多样。由于各种电池性能的不一致,以及应用车型的不同,造成BMS的产品不同质,需要根据具体的电池和电动车专门设计,因此目前成本较高。设计出通用的BMS系统仍是目前研发的方向之一。
第二,市场需求不够,未规模化生产。动力电池和储能电池的市场尚小,BMS电路板的生产很难媲美电脑等成熟市场的规模。
电池管理系统价格趋势
华经纵横认为电池管理系统未来的价格很难出现大幅下降,因为其电路板和芯片设计尚处于初级阶段,而后期随着产品的复杂程度、更新换代速度和量产规模的提升,主流的BMS价格将呈现缓慢下降的趋势。参考计算机产品的价格下降趋势,我们预测BMS约可在2020年下降至目前的60%左右。