动力电池的软实力，掌握“数据”方执牛耳！

电池管理系统（Battery Management System，即BMS）是连接动力电池和新能源整车的重要纽带，通过监测电芯的状态参数，如电压、电流和温度等，来估算整个电池系统的状态，并根据计算得到的电池状态对动力电池系统进行相应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体电芯的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。本文旨在通过梳理BMS的行业现状，市场空间，基本功能，技术趋势来研判BMS行业的竞争格局。

BMS 的雏形是保护板。传统的锂电池保护板主要用于消费类电池，它的功能较为单一，主要实现电池状态监测和安全分析功能。随着新能源汽车的快速发展，复杂、大型的锂电池组被广泛应用，简单的保护板已经不能满足需求，BMS 由此诞生。在满足保护板功能的基础上，BMS 还加入了通信、均衡管理、电池剩余容量（State of Charge）估计等功能。国外首先设计出 BMS 的是德国，国内清华大学在 20 世纪 90 年代启动相关研究，目前特斯拉代表了行业头部水平，国内 BMS 相关企业正在努力追赶。

新能源汽车快速发展，BMS 重要性日益凸显，主要体现在以下三个方面: 

避免电池越过“临界区域”工作，保障动力电池安全。根据新能源汽车国家大数据联盟的数据，2020 年新能源汽车起火事故共发生 124 起，与 2019 年相比增幅达 47%。其中电池自燃的占比为 38%，充电过程起火占比 14%，充电设备故障占比 5%，过充电占比 1%，另外发生起火的原因还有零部件老化以及违规改装等。而在 2019~2020 年发生的事故中，70%以上是可以通过有效的电池管理系统减少或者避免的。动力电池在工作时都有一定的使用条件——充电电流限制、放电电流限制、工作温度限制、单体电压限制等等。电池工作条件分“合理区域”和“临界区域”，当电池工作条件越过“临界区域”时，发生安全事故的概率就会大增。这时，BMS 就必须果断采取措施，以避免事故的发生。

保障电池在“合理区域”工作，延长电池寿命。当电池工作状态位于“合理区域”时，电池寿命最长。进入“临界区域”寿命会显著降低，越过了“临界区域”则有安全隐患。为了提高电池的使用寿命尽量让电池工作在“合理区域”，当电池越过“合理区域”后要给用户报警提示，或是执行保护功能（如冷却，限制功率等）让电池回归“合理区域”。

缩小电芯间的“不一致”，提高电池系统的使用效率。单个电池的能量有限，所以大多是 N 个电池串联在一起使用，我们称串在一起的电池为电池串。由于电池之间总是存在差异，存储的能量也有区别。而电池的过放和过充是电池的两种极度危险状态。放电时，当某个电池达到放电下限时，即使其他电池仍有能量，放电也不得不结束。反之，充电时，当某个电池电压已经达到上限，即使其他电池尚未充足，充电不得不中止。因而，放电受限于串联中电压最低的电池，充电受限于电压最高的电池。可见，“有效储能”小于“理论储能”。在没有 BMS 情况下，电池间的差异化会越来越大，因而“有效储能”会越来越少。电池价值就在于其“有效储能”。如果 BMS 能抑制电池“一致性”变差的趋势，就意味着“有效能量”更加接近“理论能量”，从而能够提高电池系统的使用效率。

BMS 是动力电池的核心

以分布式电池管理系统为例，其硬件包含以下四个部分：

1、主板：收集来自各从板的采样信息，通过低压电气接口与整车进行通讯，控制 BDU 内的继电器作动，实时监控电池的各项状态，保证电池在充放电过程中的安全使用。

2、从板：监控电芯的单体电压、单体温度等信息，将信息传输给主板，具备电池均衡功能。

3、配电盒（Battery Distribution Unit）：通过高压电气接口与整车高压负载和快充线束连接，包含预充电路、总正继电器、总负继电器、快充继电器等，受主板控制；

4、高压控制板：可集成在主板，也可独立出来，实时监控着电池包的电压电流，同时还包含预充检测和绝缘检测功能。

车规级BMS芯片技术门槛高，国外企业垄断市场。车规级半导体企业在进入整车厂的供应链体系前，一般需通过质量管理体系 IATF 16949 和可靠性标准 AEC-Q 等系列认证。在完成相关车规级标准规范的认证和审核后，还需经历严苛的应用测试验证和长周期的上车验证，才能进入汽车前装供应链。BMS的 MCU 芯片需要大量专有技术（know-how）经验积累，目前大量成熟解决方案被恩智浦、英飞凌等厂商掌握；BMS 的 AFE 芯片的主要供应商为 ADI、TI等海外公司。

电池状态监测是电池管理系统最基本的功能，是其他各项功能的前提与基础，主要通过对应的传感器进行采集。电池状态监测一般指对电池电压（电芯电压和总电压）、电池电流和温度等三种物理量的监测，由相应的传感器负责采样和监测。对于电压的监测通过对应的采样电路采集每个电芯和电池包的总电压；对于温度的监测主要通过温度传感器（NTC）进行测量，通常电压和温度采样一起集成在电芯连接系统（cell connection systems，CCS）中。除了针对电池本身，还应对环境温度、电池包的温度、热管理系统进出水口的温度等进行监测。电池的电流通过电流传感器进行监测，常见的电流传感器主要有分流式和霍尔式。由于安全法规趋严，BMS 后续可能会加入压力和气体传感器用以监测压力变化和气体信号，为动力电池系统提供热失控预警功能。

电池状态（SOx）估计是 BMS 算法控制的核心，常用的电池状态主要包括SOC和SOH，其中SOC是其他状态分析的基础。SOC的全称是State of Charge，就像传统汽车用户常常需要留意车上剩余的油量还有多少一样，对于电动汽车用户而言，需要知道剩余的电量还有多少。SOC 除了用百分比来反映以外，还常常被换算为等效时间或等效里程来表示，让用户获得更为直观的信息，当然，这些都是估算值，带有一定的误差。

另一个电池状态分析的重要功能就是对电池老化状态（State of Health，SOH）的评估，这一状态也常用一个百分比来反映。如果一个电池在刚出厂的时候的最大容量为 1，那么经过多次循环以后，电池所能容纳的最大容量相对于刚出厂时容量的百分比，就反应了电池的老化状态。SOH受动力电池使用过程中的工作温度、放电流的大小等因素的影响，需要在使用过程中不断进行评估和更新，以确保用户获得更为准确的信息。一般对于动力电池而言，通常在经过 500 个深度充放电循环使用以后，SOH 仍然可以达到 80%以上。

电池组中电芯间的一致性越高，SOx 估算就越精准。单个电芯的 SOx 估算可以采用历史数据模拟，相对简单，而对动力电池组来讲，是由多个单体电芯串并联而成的，电池数目越多，电池之间的差异也就会越大，SOC 的估算要详细考虑电池组中每个电池的状态，这是非常困难的。因此实际中，采用的方法是将整个电池组视为一个单体来进行估算。这就意味着电池的一致性越高，估算的累计误差会越小。在电芯确定的情况下，BMS 对 SOx 的估算越好，就越能延长动力电池组的寿命，最大化提高能量利用效率。

电池管理系统通过采集电池参数，对电池的状态进行评估后，通过自身或与其他零部件协同将电池的状态调节到电池的“合理区”，主要的执行动作有：

保障安全、控制充放、热管理和故障预警。

电池安全保护无疑是电动汽车管理系统首要的、最重要的功能，过流保护、过充过放保护、过温保护是最为常见的电池安全保护的内容。过流保护，有时也被称为过电流保护，指的是在充、放电过程中，如果工作电流超过了安全阈值，则采取相应的安全保护措施，如限制功率，极端情况下通过熔断主回路Fuse来保护高压零部件的安全。以特斯拉的 Pyro-fuse 为例，电池系统中存在异常大电流时，可主动触发 Pyro-fuse 断开电流回路。过充保护是指电池电量为 100%的情况下，为了防止继续充电造成电池损坏，而采取切断电池的充电回路的保护措施；过放保护指在电池的剩余电量为 0 的情况下，若继续对电池进行放电，也会对电池造成损坏，此时应采取措施，切断电池的放电回路。

充放电控制使电池发挥更大效能。电池的充电控制管理，是指电池管理系统在电池充放电过程中对充电电压、充电电流等参数进行实时的优化控制，优化的目标包括充电时长、充电效率以及充电的饱满程度等。放电控制管理，是指在电池的放电过程中根据电池的状态对放电电流大小进行控制，这一项功能在以往某些系统中常被忽视，在这些简单的系统中，电池包被认为只需要提供电能，不产生安全问题即可。然而，在一个较为先进和完善的系统中，加入了放电控制管理的功能，可以使动力电池组发挥更大的效能。

热管理是电池系统持续高效的重要保障。锂离子电池的性能、寿命和安全性对温度十分敏感，通常动力电池最佳的工作温度范围在 15~35 摄氏度。动力电池在充放电过程中会放出大量的热，温度过高会造成电池寿命降低甚至会发生热失控的现象；温度过低，则会导致电化学反应活性降低，电池充放电效率下降。此外，如果电池系统中电芯间温差>10℃，根据木桶原理（电池组的性能由最差的电芯单体决定），其使用效率会大大降低。

故障预警是电池系统安全的最后一道保障。市场侧，随着新能源汽车渗透率不断攀升，新能源汽车安全事故时有发生，故障预警可有效保障驾乘者的生命财产安全；法规侧，安全要求加码，GB18384 和 GB38031 等多个法规强制要求，电池系统发生热失控的安全事故前，应通过一个明显的信号（例如：声或光信号）装置向用户做出提示；车厂侧，预警监控提醒，及时救援及售后工作推进，能够提升品牌安全形象。

影响SOC估算精度的因素众多，动态高精度估算成为行业难题。影响SOC估算精度的因素主要有：

①电池的类型。电池类型主要影响 OCV（开路电压）特性，此处的电池类型不单指材料体系（三元电池和磷酸铁锂电池的电化学特性不一致），还包括电池的封装结构（方形、软包和圆柱电池的内部特征参数也不一致）。

②充放电倍率与端电压对应关系特性。电池在工作状态下测得的电压实际上是端电压，在温度和电流恒定状态下它们的关系还是相对稳定的，但电池的实际工况非常复杂，这种对应关系通常会被打乱。

③温度状态。温度对电池的各个参数都有影响，不同材料体系的电池对温度的敏感性不同。

④电池寿命状态。电池在使用过程中寿命将逐渐衰减，衰减机理主要在于正负极材料晶格的塌陷导致可逆锂离子的损失，因此在估算 SOC时还要考虑电池寿命状态对总容量的影响。以上原因使得动力电池的 SOC 精确估算具有非常大的挑战性。

与三元电池相比，磷酸铁锂电池对 SOC 的精度要求更高，主要基于如下原因：

①磷酸铁锂的充放电特性曲线非常平缓。目前主流的 SOC 估算方法为开路电压+安时积分，由于磷酸铁锂的充放电特性曲线较平缓，需要精确测量（误差在 1mV 以内）电池的开路电压才能建立与 SOC 的映射关系，这给 SOC 的精确估算带来困难。

②磷酸铁锂的自放电率较大。同样的存储条件下，磷酸铁锂的自放电率明显大于三元，因此磷酸铁锂需要高频次的均衡管理。

③磷酸铁锂的充放电曲线存在明显的滞后特性。三元电池的充放电开路电压特性曲线能够基本重合，而磷酸铁锂不能重合，充放电开路电压特性曲线存在明显的滞后。

④磷酸铁锂电池对温度较为敏感。三元电池的开路电压随温度变化较小，而磷酸铁锂电池的开路电压随温度变化较大。

目前在动力电池管理系统中应用的均衡方法主要有被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡也被称为耗散型均衡，其实现方式是在每一个单体电芯上并联一个可控的电阻，将容量较高的电芯中的多余能量消耗掉，实现整组电芯电压均衡。主动均衡也即能量转移均衡，其实现方法是将容量较高的电芯中的能量转移到容量较低的电芯中，在实施过程中需要一个储能环节（电容或电感），以便能量通过这个环节进行重新分配。

目前主流的 BMS 的拓扑结构主要有集中式和分布式两类。集中式 BMS 是将所有的电压和温度采集模块以及均衡功能全部集成在一块PCB板上，采集模块和主控模块的信息交互在 PCB 板上直接实现。分布式 BMS 是由一个主控板和多个从控板共同组成，从控负责对每一个电芯进行电压检测、温度检测、均衡管理以及相应的诊断工作，主控负责接收从控采集的数据并进行电池系统的状态评估、充放电管理、热管理以及与整车的通信等。

集中式成本低，但适用性较差，一般用于总电压低，体积小的电池系统中。集中式 BMS 的所有模块均在一块 PCB 板上，这样做的优点是成本低，各模块间的通信也简化了。缺点也比较明显：

1、采样线束较复杂。BMS 采样需要与每个电芯直接相连，线束比较长，导致采样线的设计较为复杂。

2、产生额外的电压差。由于每个电芯分布在不同位置，BMS 与电芯连接的采样线长短不一，导致在采样或均衡的时候产生额外的电压差，影响 BMS的精度。

3、适用性较差。BMS 所能支持的最大采样通道有限，适用性较差。因此，集中式 BMS 常应用于总压低、电池系统体积小的场景中，如电动叉车、48V 轻混和 HEV 车型。

来源：锂电那些事