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换电模式下对BMS系统有哪些新的挑战和机遇?

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导读:宁德时代不久前发布了他们的组合换电解决方案,引爆了行业关注热点。上一次发布会则是去年7月份时候发布的钠离子电池。这半年一次的“新品”发布可谓相当高频,看来“宁王”非常渴望牢牢待在这万亿市值的宝座。

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对于换电,从两个大的方面来说,都是很有优势的,一方面就是让车辆灵活装配所需要的电池模组,昂贵的电池成本从此和整车价格解耦,而且对于日常使用,短途通勤有一种方案,假期长途有另一种方案。对于精明的燃油车主,有时会采用只加半箱油的策略来降低车重的目的;但是对于一般的电动汽车,出厂之后电池包的重量就绑定了,不管你充满电,还是充一半。而组合换电方案,就也可以实现这样的灵活机动了。

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另一方面,从能源利用和环保角度来说,换电站的出现和普及,也可以更集中地为电网削峰填谷做出贡献,本身也能从中获取客观的经济收益。这是国家电网一直强烈建议地方案,对他们来说起码可以大大减少建设充电桩的需求。此外,换电站还可以实现对电池包的监控、管理,包括对电池状态的检测,故障的检修,以及更加高效的实现电池包的梯次利用。

组合换电的好处还能说上一堆,对于学习我们BMS软件工程师微专业课程的学员来说,也需要进一步思考下,组合换电模式,对BMS系统有哪些新的挑战和机遇?

一、BMS功能

BMS的传统功能包括:

1、上下电管理

车辆在主动下电或被动下电情况下,电池系统应该如何控制继电器的通断;以及车辆启动时,系统如何进入到工作状态,等等。考虑到车辆以及电池系统可能处在不同的状态下,例如,电池包亏电,或者车辆存在高压系统故障,BMS的上下电控制策略需要统筹兼顾。

2、电池状态估计

电池状态估计,包括非常重要的荷电状态(关系到续航里程的估计)、健康状态(关系到电池寿命等);这是BMS非常核心的功能。电池管理系统能监测的数据非常有限,只有电压、电流、温度。而电池作为一个基于化学原理的储能部件,荷电状态只能借助估计算法来获取,不同的使用工况都是估计算法的影响因子。这也是电动汽车就目前来说仍然会被吐槽电量估计不准,引发车主里程焦虑的原因。

3、充电管理

纯电动汽车都会配置慢充和快充两种充电系统,充电过程中,车辆的信息需要和充电桩/站之间进行必要的信息交互来确保充电过程的安全。这个控制策略也是需要写在BMS软件中的。

4、故障诊断和安全控制

电池实际工作条件较为苛刻,过充、过放、短路、过热、过冷等条件下都会对电池的性能、寿命、安全性产生破坏性影响。BMS的职责,可以总结为:电池故障前的精准预警、故障时的及时报警,保证电池安全、可靠运行。

5、电池均衡

电池的一致性是锂离子电池作为动力电池非常重要的一个指标,先天性(电芯生产制造)影响存在且巨大,但是后天通过BMS软件监控电池的一致性状态以及通过均衡的手段弥补一致性的不足,则是十分必要的。

二、组合换电模式下对BMS的要求

组合换电模式对于整车设计、电池包结构设计都提出来很高的要求。密封性方面以及高低压系统接口稳定性、耐久性方面,面临的挑战是巨大的。相比蔚来电池包整体更换的方案,标准化电池块的组合换电模式,难度应该扩大几倍。那,组合换电模式下,BMS软件面临哪些挑战呢?

挑战1、谁来承担BMS功能?

首先,我们得来聊聊,在组合换电模式中,哪些单元承担着BMS的功能?传统电池包的BMU位于包体内,向下链接各个模组,向上链接整车控制器(还可能有云服务器)。电池模组内的子控制器只承担电芯监测的功能。而组合换电模式下,每个电池模组都相当于一个独立的电池包。因此该电池模组的控制功能应该是健全的,能控制快充、慢充,能独立的和整车控制器进行交互。当多个电池包共同作用于一辆车时,BMS之间谁说了算呢?

挑战2、 模组间的通信问题

这还得说说模组间通信方式的问题。传统方案有CAN通信还有菊花链通信的方式。低压信号接口,无论是模组之间,还是电池包与整车之间,在设计上都是一个重点关照的地方。而宁德时代的方案,采取了非常有突破性的无线的方式,实现模组与模组之间的通信(车辆与BMS之间应该也是无线通信),从而完全回避了低压接口的存在。好在BMS系统的数据对整车来说实时性要求不那么高,不过,有兴趣的朋友可以思考下,这种组合换电模式下,无线传输的数据大概有哪些类型?

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跟传统的BMS数据相比,数据种类上会发生哪些变化。比如,会包括电池包的历史故障数据吗?当多个电池块共同服务于一辆车的时候,简单的做法就是轮岗机制,也就是用完一块再启用另一块。所以多个BMU可能同时被激活(这里需要计算续航里程),但是只有在工作的那块电池模组的BMU作为主导。对于整车控制器来说,只和一个BMU通信显然更高效一点。

挑战3、电池块的热管理问题

另一个巨大的挑战就是电池块的热管理问题,这也是看宁德时代的发布会最疑惑的一点。三元电池肯定少不了一套高效的热管理系统,铁锂电池相对可以宽松一些热管理的要求。以目前的适配车型奔腾NAT来说,配置的就是磷酸铁锂电池,电池块舍弃掉热管理装置问题不大。但是,面对对温度敏感的电池类型,电池模块的热管理系统怎么设计?这很有想象空间。

挑战4、自动控制过程中的异常处理

此外,还有一个很尴尬但必须得考虑的点,在于,即使BMS系统能够和换电站通信,实现自动换电,但是肯定还得配备一个手动操作的备选项,以防自动控制过程中出现异常。比如车辆发生碰撞,通信失灵、锁止结构变形等等。极端情况肯定是作为车辆部件之一的电池系统必须考虑的。

三、组合换电模式下对BMS的好处

说了这么多组合换电模式下对BMS的挑战和困难,其实本人还是非常看好的,这种方式下,对BMS开发也有助攻的地方。比如:

1、电池状态估计可以更准

电池块在换电站内接收充电的过程中,换电站有能力使用更强的算力、更复杂的状态估计算法来校正电池的状态数据。在我们以往的培训班中,我们学员少不了吐槽我们教的算法太全、太复杂,实际项目中一个电流积分法简单粗暴。那这种趋势下,我们完全有条件来部署、应用更准确的估算模型。我们甚至可以充分利用积累的所有电池块的数据,来训练人工智能,来做预测和估算。

2、电池均衡可以更加高效

传统电池管理系统中的电池均衡模块,太受限于均衡功率,往往效率很低。但是在换电站中,对电池进行均衡就有了更加充裕的条件。

来源:汽车ECU开发

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