新能源汽车电池安全有哪些被忽略的细节？
被忽略的细节有很多，但最最重要的肯定是BMS（battery management system）。 我们日常在讨论新能源电池的时候，提到的总是三元锂还是磷酸铁锂，功率密度，热管理等等这些内容，因为他们看得见，摸得着，这就和我们提到手机电脑一样，永远谈到的是芯片，显卡，CPU，内存有多大。 但相同的硬件，往往还能造出很大的区别出来。背后实际上就是看不见的系统与软件。要不然，手机厂家，电脑厂家还能做出什么差异化的产品，不是么？身体决定基础，但大脑和神经才是把一切可能性发挥到极致的那个玩意儿，是潜力的极限。 BMS，和发动机的EMS一样，包括了传感器、控制器、驱动开关、信息通讯存储模块等等，它最核心的功能就是根据不同的情况，对电池的充放电过程进行监测、控制和优化，在保证安全的前提下，最大限度地利用电池所存储的能量。 一般来说，BMS里包含的功能主要分成下面图里的这几块。首先是状态监测，基于状态做分析，往下做安全保护，在安全的基础上，就能讨论如何进行能量管理，到了这里，还需要把过往的历史信息，存储起来，以便于出现故障后的排查工作，或者基于大数据下对用户体验进行优化。可以看到这几个大块，基本上是层层递进的关系。 电池的状态参数来源于采集设备，基本参数一般是电压、电流和温度。实际上，表征电池的参数有很多，还有容量、内阻、电动势等等，但除了那三个最基本的，并不都能直观、方便的进行采集，比如内阻的直接测量一般要在静态下进行，上车后实用性就不太大。 很多人会认为采集是极其简单的事，其实不然。举个例子，我家有两套路由器，其中一套是MESH，在复杂的网络环境里，无线鼠标、蓝牙耳机这种设备经常容易受到干扰。纯电汽车上的设备更需要抵抗这种电磁环境------毕竟所有的事情都指望着这个采集得来的数据呢，万一不真就坑爹了。所以采集而言，还有很多事需要做，抗干扰，还有精度、零漂、温漂、线性误差等等需要处理。 有了基础参数，就可以进行一系列的分析了。状态分析的核心，就是大名鼎鼎的“SOC”，也就是俗称的“电量”。这个值决定了续航的长短，以及充放电功率的大小，因此非常重要。 但是它没法直接测量呀。 所以只能算。   。。。。。。 既然是算，就存在算不准的问题。 为啥经常说纯电汽车的续航里程虚标，不准呢？ 这是最最最直接的原因。 也可以说，SOC算法，是BMS里头的核心之一。 电池的SOC估算受到很多因素的影响，比如在不同温度、不同湿度环境下，电池的容量就有非常明显的偏差。纯电汽车在东北的冬天会比较痛苦，SOC就是原因之一，满电量放到低温区，立刻就降一大截，这并不是能量凭空消失了---把温度复原回来，SOC也会回来。但是冬天是不能说没就没的呀。 除此以外，电流的变化大小容易扩大估算SOC时的精度误差---前面提到的采集，就是这个误差的关键。采集在精度以外，频率也很关键。因为采集的过程并不是连续的，但是数学上做积分，我们是把数据看做是连续的，在二次测量信号之间的空隙，实际上就存在失真。 还有就是在一定的充放电循环次数过后，电池的最大容量往往会存在衰减，这个很好理解了。手机用了几年之后，充满电续航总是没有当初新的久，既然100%不再是当初的100%了……就意味着在整车的使用全寿命过程必须不断地进行校准，这个拟合过程对厂家的测试数据、测试经验有着很高的要求，或者应该这么说，前面的采集、和估算都做得很准了，SOC随着时间的流逝会逐渐降低，在这个漫长的过程里，主机厂是无法时时跟着这个车的，通过在线或者离线的方式对这个车望闻问切，这就得是经验丰富的老医生才行。 再就是电池自放电，和一致性的影响了。手机出厂时都带有差异呢，何况电池，一个电池组里头的单体电池各有不同，期间的一致性会对整体起到不可忽视的作用。 这些因素的背后，为了提高SOC的估算精度，就需要许多补偿和修正。 主流的SOC算法至少也有五六种。通过放电试验测试电池的性能肯定能得到最好的结果，但是车在路上开是没法这么做的……我们也可以把电池在不同电流下放电的电量进行累加，来估算剩余电量，这就是著名的安时积分，简单粗暴，只需要采集电流即可，然而随时时间推移，出现的误差也会越来越大，还需要通过电池温度等等来进行补偿计算。其他的还可以通过电池的开路电压与电池SOC之间的关系进行对应，又或者在安时积分的基础上，做卡尔曼滤波，降低、消除外界的一些噪声影响，又或者直接建立一个比较完整的数学模型。但每种方法、都各有利弊吧，有的需要比较多的修正，有的需要比较强算力的芯片，有的需要非常依赖经验。 能把用最少的代价，把SOC算准是极其重要的事情，在这期间用什么方法，或同时用几种方法，真都不一定是准数，各个厂家也算是八仙过海了。 比如大众ID.4和ID.6，就是通过超高智能的BMS对电池状态进行监测，通过全天候行程用电管理和先进的续航里程计算，持续做自学习，依据不同工况、路况反复对电量进行计算得到结果的，除此外还会基于用户的习惯、车载电器的使用情况去做最后一点“精益求精”的修正，为用户呈现更实际的续航里程，“所见即所跑”，从而给予用户出行足够的信心。 硬件用得好的厂家，不一定是让用户省心的厂家，只有在BMS这里做得好的厂家，才是那个真的让人放心，没有焦虑的厂家---很多人的焦虑来源，并不是因为续航长短，而是“根本不知道它到底是长是短”，一个不准确的SOC值，充满未知的SOC值，才是焦虑的根源。 至于电池的可靠性，比较主要的两块，一个是故障诊断，一个是热管理。 以故障诊断来说，通信故障，绝缘故障，电池状态以及均衡状态故障等等很多种。因为并不是所有的故障都是致命的，因此还需要对不同的故障类型、危险等级进行区分。而当故障出现时，系统能否尝试自行恢复，有没有必要立刻向用户示警，有没有必要立刻中断动力输出，都是BMS里面非常实在的控制策略。 至于热管理，是大家知道比较多的一个课题。热量的积累是造成电池系统出现故障、安全事故的主要原因，而另一方面，温度过高和过低，都会造成电池性能的衰减，为了维持电池处在最佳状态，热管理就需要通过冷却、加热的方式对电池系统进行温度管理。除了温度的过高、过低以外，还需要注意各个单体电池的温度均衡。 电池的冷却方案实际上是硬件设计的层面，但例如水冷，涉及到具体的水泵、风扇动作，BMS是需要发起请求的。以及，当在严寒区域，电池活性降低，负极石墨材料的锂离子嵌入能力下降，直接采用大电流充电则电池内部可能出现锂析出，影响充电的效率与安全，所以不论是PTC加热，还是液热，加热膜加热方案，BMS也都以需要在适时地提出需求触发电池的加热策略。 再以大众的MEB纯电平台为例，电池组采用的是一套独立的热管理系统，电芯与底板之间加入了高导热系数热胶，可以更快速地与电池进行热交换，设计许用工作范围是-30~55℃，最佳工作温度是15~30℃。BMS依据当前的实际工况提出需求，执行器及时进行动作，结合优秀的硬件设计，就能实现预期的效果---在单体电池的热均衡性能上，大众MEB能做到所有电芯温度保持在前后2℃的差异以内。而在应对故障问题时，MEB通过四重电芯安全设计，从壳体强度、表面绝缘、及时断电、防爆泄压上了四重保险，将漏电、起火、爆炸的可能性降到了最低，这些设计的执行策略，就都在BMS里头。 最后是电池均衡。 早先在其他文章里提到过，小时候我们玩四驱车，或者其他玩具时，会注意到一个现象，如果把一节新电池和旧电池同时放在一起，会极快地把新电池拖入到和旧电池一样的水平------力气大的那个人，在搬东西的过程承担了更多的责任，因此累得更快。 成组的电池系统，由于单体电池的一致性不同，很难保持电池系统能量的完全充放，因此单体电池之间的电量均衡就非常重要了。均衡的控制方法有很多，但说起来主要是被动均衡和主动均衡二种，前者是通过单体电池的并联电阻来实现的，当某个单体电池和其他相比荷电状态较高，那么就通过这个并联电阻把多余的能量给放掉……（这个释放出来的热量还会影响到热管理均衡），显然是一种比较简单，但浪费能量的做法。主动均衡则是通过中间储能元件、开关、和控制逻辑，把荷电状态高的电池能量，转移到荷电状态低的电池当中，实现整体均衡，但显而易见，这种方法极其麻烦，其算法也是BMS的一大核心了。 SOC算得准，电量均衡做得好，对电池包的寿命参数是一个非常好的支撑。 电池包的寿命什么状态才算比较理想呢？还看大众MEB，MEB对电芯模组的寿命算是有比较高的要求，不论是快充循环耐久、还是45℃高温环境，都要求有800次的循环寿命，SOC大于80%，如果我们以完全充放电一次循环就是续航500公里来算，800次就是足足40万公里，远超过一些同级车型的设计寿命。 回到这个问题来，我们光是看到了大众MEB用了宁德时代的电池，但是其背后在BMS上隐藏的实力，是真正的“里子”。对于普通用户来说，这就是往往被忽略的那个重要的细节。  