比亚迪冯天宇：高精度高安全性BMS

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真正在这一行业做过的人应该都有深入体会，比如说做BMS没有电芯，对电池的参数、结构、性能就没法深入了解。没有pack，整包的热失控、热控制、温度传感器等问题也都不好解决，做到后面整合优势会慢慢的越来越大地发挥出来。

本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。

演讲嘉宾：冯天宇 比亚迪第二事业部BMS研究部经理演讲主题：高精度高安全性BMS

冯天宇： 大家下午好，我来自比亚迪第二事业部BMS工厂研究部。 比亚迪现在分了好几个事业群，我们处在电池事业群，也就是比亚迪发家的事业群，我们这个事业群做电芯、BMS以及相关保险、电容、光伏、储能等等。

今天主要想跟大家分享一下做到高精度和高安全性BMS需要注意的一些问题。 主要分四个部分，首先给大家介绍一下BMS在新能源汽车里面的重要位置，然后分别从精度和安全性两个角度介绍几个需要考虑的点，最后再跟大家介绍一下比亚迪的BMS。 大家都知道BMS在整车的位置是一个桥梁的作用，把电池包的电化学、电气、机械系统与整车的电子、电气系统沟通起来，所以相当于整车和电池系统的沟通桥梁，对于整个电动汽车的安全性、里程以及用户体验都具有至关重要的作用。

怎么做到高精度呢？ BMS的功能首先一个就是准确地检测到电池系统的状态、参数。 首先涉及到采样，这对于整个BMS的功能以及用户体验来说都是非常重要的。 先说电流，传感器主要有霍尔、分流器等。 电流为什么很重要呢？ 因为除了它对于SOC计算有用以外，对于SOH计算也是非常有用的。SOH计算只能靠电流，所以电流在整个算法里面有着非常大的重要性。第二个就是电压，主要是靠模拟前端来采样。 各大供应商有丰富的产品，电压采样一般都说采样精度，其实采样速度以及和电流采样的同步性，对于计算精度也是非常重要的。 如果采样速度比较慢的话，不仅是SOX的计算精度达不到，还有在功能安全相关的很多要求，包括FTTI故障显示时间，也达不到。 另外一个就是温度，也是用模拟前端采样的，包括传感器的位置。 比亚迪现在也对外开放，也接触到除比亚迪之外的厂商，他们经常对温度的布线位置提出很多想法，比较典型的就是布的传感器位置是不是能采到电池的真实温度，跟真实温度到底差几度，在高温情况下、振动情况下的可靠性能不能保证，布一个还是布两个，一个模组里面有几个传感器等等。 这个问题会涉及到很多方面，包括结构、类型。 温度这一项里面对于温度传感器的位置和种类来说需要仔细的甄别。 这里面也需要做一些热仿真，一些CFD的流体仿真辅助确认哪个地方或者哪个位置适合来布温度传感器。 后面怎么样能够展现给用户最好的体验，或者整个最真实的状态呢？ 这就要靠算法。 前面也有很多同行聊到了算法，比如说扩展卡尔曼等等，其实都属于观测器这一类，还有一些数据驱动的模型。有了观测器还需要有模型，模型最常用的一般就是等效电路模型和电化学模型。等效电路模型就是常说的一阶RC、二阶RC模型。 电化学模型根据近似程度以及物理量的范围，一般可以分为单粒子模型、伪二维模型等等，这其实只是近似程度不一样，使用的物理方程和方法是一样的。

电化学模型的特点就是给一定参数的时候，适用的范围更广一些。 因为物理的现象来说更接近于真实情况，不是一个基于外在特性的模型，是基于真实的电池里面的物理化学反应的模型。 最大的缺点就是需要的参数非常多。 参数的确定就会引来非常多的问题，有些参数是通过实验可以得到的，有些参数通过实验也测不到，这个时候就引来非常多工程性的考虑，计算量也是非常的大，目前在整车上面来说这个模型还没有广泛的应用。

数据驱动模型，赶上了非常火的大数据潮流，所以大家很多问题都可以基于数据来考虑。 我个人理解， BMS属于接近于底层的嵌入式系统，将数据系统整套放在BMS来说整个体积会特别庞大，之后随着BMS芯片的逐步强大，可能会把这个模型通过云端做一些训练，最终在BMS上应用。

有了模型和观测器以后就要做校准的测试。 针对不同的用户需求，当然是更接近用户需求的情况，在这个条件下校正，最终用户体验会越好。 下面这个图是我们最新算法今年冬季实验的最新效果，零度的时候能稳定到2%以内的精度，这是实车测试的。

下面说一下安全性问题。 说到安全性问题，现在最火的就是功能安全了。 其实功能安全之外要考虑另外一个方面，就是鲁棒性，很多功能你要保证不能轻易的进入安全状态，否则用户体验会很差。 如何找到平衡点其实是真正做实际产品时候需要考虑的问题。

功能安全是在全生命周期里面要保证安全相关的功能正常工作，保证人员的安全。 在设计和生产中要防止系统性失效，在运行过程中要控制随机硬件失效，控制系统性故障。 这些对应功能安全里面软、硬件设计。

另外，前一阵发布的《新能源汽车国家监控平台大数据安全监控成果》里面提到了一点，今年5月以来，发生起火事故的新能源汽车中，41%的车辆处在行驶状态，40%的车辆处在静置状态，19%的车辆处在正在充电状态。 这说明60%的起火事故是在车辆运行过程中，40%是在静置状态。 也就是说 即使功能安全做得很好，做到以后的ASIL-E，以后对于大巴可能会有，还是有40%会起火。这个从电池的物化机理来看是有这种可能的，比如受外部温度影响，或者刚快充完了到静置状态等等，尤其是对老电池。 因此，我们要能对起火这种热事件做到快速准确的监测。

诊断和监测分为两部分，上面是系统故障的检测，在发生故障之前防止过温、过压、过流等等。 后面一旦发生起火事件的时候，要能够快速准确的检测上报，不能说在地库烧着都没人知道，也不能说在路上开着车却不知道着火，这是争分夺秒的，也是应对国标新动向，也就是5分钟逃避时间的要求。

故障检测首先要分成几个方面考虑，一个是数据收集，怎么样能够保证事件发生的时候传感器或者控制器不会直接烧掉了？ 直接烧掉了就没办法检测报警了。 获取数据以后就要做数据的预处理、模式的挖掘。 这个图展示的是数据驱动的一套故障模式识别的方法和流程。 最后再针对算的概率值定位出来，给一个诊断地图一样的显示，最后发到整车，做出最终的判断。

下面介绍一下比亚迪的BMS。 比亚迪之前一直对外没有做特别多的开放，也是近两年才开始开放。 比亚迪在全球市场占有率第一，拥有着50万台车的质量保证，开发下来有很多的流程和管控，常见的就是16949、26262。 可能大家经常听到一些AUTOSAR的介绍，这其实是软件层面的架构。 我们最终基于客户做的时候，对于AUTOSAR的版本要求都不一样，所以一定是基于先有这个项目才去做这个东西，整个流程和方法论需要先懂，先吃透，然后真正做的时候再去购买。 这些东西很多掌握在德国供应商那里，更多依赖于芯片的供应商，其实芯片供应商和软件底层供应商他们之间经常合作，会预先开发一些东西，比如MCAL、Safetylib等，这些东西一般都很贵。 刚才刘总也提到了开发一套要1400万以上，AUTOSAR底层的话应该也得有500万以上的。 这一套自主研发难度很大，因为涉及非常多的芯片底层，这要等着国家自己的汽车芯片能够发展起来。 我记得前几天东软发布了NEUSAR，跟AUTOSAR几乎一样的，是中国版本的汽车软件架构。 后面逐步发展的话，我们应该可以逐步甩脱国外软件厂商对于中国汽车自主发展控制。 像奔驰汽车厂商肯定会要求某个版本的AUTOSAR，但是很大一部分的钱都是给了做底层的国外供应商的。

这个图数据来自Web of Science。 在里面搜关键字安全电池管理系统，大概可以分成几个大块，上面绿色的是电池，下面是电池管理系统，右边是性能和热管理。 所以其实大家看到这几个部分也恰好是整个电池系统里面最重要的部分。 这几个方面我们都是有的。 要做到后面对整合能力要求更强，或者说整个电池系统能够达到一个最优的状态。真正在这一行业做过的人应该都有深入体会，比如说做BMS没有电芯，对电池的参数、结构、性能就没法深入了解。没有pack，整包的热失控、热控制、温度传感器等问题也都不好解决，做到后面整合优势会慢慢的越来越大地发挥出来。

谢谢大家，我就讲到这里。

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解读丨广汽埃安“弹匣电池”单挑比亚迪？一眼看懂各流派电池打法

汽车日报 潘梓春

从去年开始，国内的电动车好像集体抽了风，扎堆儿自燃。甭管是年轻的特斯拉、蔚来、威马，还是“电池大王”比亚迪、北汽、力帆，这两年基本都“火”过几回。

事情直接惊动了工信部，接连发了两次通知，严正要求各大厂家排查电动车的安全隐患。

国家出面之后，有的车企紧急召回，有的车企忙着甩锅。还有一些车企，绞尽脑汁想把“自燃”两个字从新能源词典里抠掉。

谁在针刺试验上动了手脚？

在国家长时间的扶持和引导下，新能源基建和电池性能已经有了质的飞跃，基本能做到“充电有地儿充，续航不挠头”。可依旧有一大部分消费者，因为电池安全问题，迟迟不敢入手纯电动车。

毕竟要想提高续航，无脑堆电池就行了，如何平衡安全性和成本，才是真正的技术活。

年初，广汽因为“1000公里长续航电池和石墨烯基快充电池”的事饱受热议。没等这两项技术“上车”，广汽埃安又决定先发布一项动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术（简称“弹匣电池”）。

宣传弹匣电池时，广汽埃安强调这是“行业首次实现三元锂电池整包针刺不起火”，再也没提石墨烯的事儿。

官方透露，为验证弹匣电池的安全性，中国汽车技术研究中心首席专家、国家电池安全标准起草人之一刘仕强曾带领团队，对搭载弹匣电池系统安全技术的三元锂电池整包进行了针刺热扩散试验。

试验结果显示，广汽埃安的三元锂（弹匣电池）整包在热事故信号发出5分钟后，仅出现短暂冒烟（1分钟），无起火和爆炸现象。

静置48小时后，电压降至0V，温度恢复至室温。针刺后只有被刺电芯模块热失控，没有蔓延到其他电芯。打开电池整包，观察内部结构完好。

简单来说，就是弹匣电池通过了整包针刺试验，能做到“只冒烟，不起火”。而所谓的“弹匣电池”技术，可以理解为把电芯放在了一个像“弹匣”一样的安全舱里，来进行安全防护。

猛听起来，这和宁德时代声称自己通过三元锂电池针刺试验时，上演了相同的情节——在宁德时代发布的视频中，套着强硬外壳的三元锂电池，愣是把实验用的钢针戳断了。一看三元锂电池完好无损，宁德时代转身就宣布自家产品通过了针刺试验。

当时宁德时代可是引发了群嘲，不少网友质疑道：“要是按照这个道理，电池包里面装炸药都是安全的，反正电池壳又炸不开……国家标准也不需要对电芯做任何规范了，规范电池壳就行——只要外壳够硬，你就别想起火。”

你的电动车，早晚会自燃

那么，广汽埃安“弹匣电池”这次到底是想证明什么？

是自己也能给电芯套个足够坚硬的外壳，还是为了印证这个新的系统性技术对提升动力电池安全行之有效？

首先，我们需要搞清楚针刺试验的意义。在动力电池事故发生时，由于内部晶体随着锂离子电池的循环不断生长，最终穿透电池正负极之间的隔膜，引起正负极接触后短路，内部温度升高最终导致失控自燃。

而针刺实验中的那根“针”，正是模拟了电池析出的晶体，假装刺破隔膜，检验是否会发生电池正负极大面积接触后的短路。

理论上，只要是含锂的、可反复充放的电池，百分之百会出现析晶。甭管是磷酸铁锂电池还是三元锂电池，使用时间越长，内部析晶越多，电池性能就越差，隔膜更容易被刺穿，自燃概率也就越高。

简单粗暴地说，你的电动车早晚会自燃，这事儿不怪广汽、比亚迪、特斯拉，也不怪宁德时代。

在一台车的寿命周期内，一节电池里的析晶刺穿隔膜是一个小概率事件，基本等于刮刮乐中彩票。但电动车的底盘上可是有几千张“刮刮乐”，多刮几张总能“中奖”。

各大车企也是各有各的办法。特斯拉通过软件算法，一旦电池有故障苗头，电池管理系统（BMS）直接报警，给电池锁死，全车断电，再轰你下车。当然，算法有时候会误判，这也让特斯拉没少被吐槽。

宁德时代则通过调整配方，让电池寿命长一点，再长一点，长过一辆电动车的寿命里程。只要保证车辆行驶里程内不出问题，剩下的小概率事件可以忽略不计。

现在广汽埃安，把焦点从电芯转移到了电池整包上。弹匣电池的“安全舱”，意义除了防止电芯内短路之外，更大的作用在于短路后防止热失控，以及热失控后防止热蔓延。

广汽埃安觉得，既然没法彻底避免电芯短路，那就尽可能不让失控的电芯影响到“别人”，避免引起整个电池包燃烧。

广汽埃安想了四个办法：

电芯耐热温度提高30% 给电芯加装一个隔热的安全舱，上壳体耐温1400摄氏度以上，相邻电芯不容易发生热失控 三维降温：散热面积提升40%，散热效率提高30% 及时速冷降温：第五代BMS系统，24小时、每秒10次采集数据，一有异常就能自动启动自救速冷系统

总结下来，广汽埃安弹匣电池的技术思路，不是增强电池包抵抗“针刺”的能力，而是强化电池系统在面对电芯短路时的应急能力。

比亚迪刀片电池，凭什么吊打？

也许会有人问：那比亚迪呢？比亚迪的刀片电池为什么能封神？

比亚迪的刀片电池，同样通过了针刺测试，就算电芯内部短路，也能保证整车安全。比亚迪的想法是：既然锂析晶必然会刺穿隔膜导致短路，那我能不能试着改变电池设计，哪怕隔膜被刺穿，照样不自燃呢？

比亚迪刀片电池

于是，刀片电池通过增大电芯长度，以阵列的形式插入到电池包里面，可以理解成一个“宽幅叠片”的磷酸铁锂，外形扁平，改变了传统的绕线式设计。

同时，磷酸铁锂该有的优点和缺点，刀片电池都有：成本低，寿命长，安全性高；一致性差，故障率高，低温性能差。

而结构设计上的创新也带来了不少额外增益：

单位体积能量密度提升，网传提升30%，直接拉齐与三元锂的能量密度差距更薄，散热更好，可以让更大的电池表面积接触冷却液或热交换器结构灵活，可自由定制长短，降低车内电池布局难度，充分利用底盘空间成组后结构形式强度大，在整车内，电芯还可以同时扮演结构件、承重件

光是这几点，对于比亚迪电池外供给其他主机厂就已经足够友好了。再加上造价低廉，据报道，比亚迪装备研究院的生产线已经达到每秒1.5平方米，1.2米宽的涂布速度，不仅良率高，还能满足1.3米宽度的0.3秒高速叠片量产。

这样的比亚迪刀片电池，想不红都难。

谁能引领行业变革？

说实话，拿三元锂电池和磷酸铁锂电池直接对比并不科学。

有人把这两种路线比作动力电池的两个儿子：一个学习好，一个体育好，成才了都能为社会做贡献。如今你因为功课好的孩子体育不好，或者体育好的孩子功课不好，就说他是个坏孩子，那可就实在太荒谬了。

事实上，磷酸铁锂电池和三元锂电池在电动车应用上分工非常明确。

磷酸铁锂电池：结构稳定，安全性能高，寿命更长，成本更低；能量密度低，充放电效率低，低温表现不佳。更适合商用车和储能设施，以及一部分中低续航的车型。

三元锂电池：能量密度高，充放电效率高，整车电耗低；不耐高温，主要应用在中高续航的中高端乘用车中。

一个不争的事实是，如果当初没有三元锂电池，新能源车主的里程焦虑就永远不会消失。广汽埃安提供了一组数据：目前磷酸铁锂电池的能量密度在每千克160瓦时，续航普遍在600公里以下，而带模组的三元锂（弹匣电池）密度约为每千克185瓦时，比同类普通电池包体积能量密度提升9.4%，重量能量密度提升5.7%。

广汽AION Y

现阶段磷酸铁锂的回潮，某种程度上是整车厂在补贴退坡、新能源销量下跌之际，打价格战的一种手段。在广汽埃安投入了600多名研发人员、3.5年研发周期和3.5亿资金之后，三元锂电池能量密度有所提高，同时成本也下降了10%。

无论如何，电化学反应原理只是技术基础，当其走出实验室，形成产品后又要遵循另一套商业逻辑。技术路线到底适不适合市场，最终能不能让消费者心甘情愿掏钱买单，还是要看实车表现，让市场做决定。

“弹匣电池”今年开始将会在AION全系车型上陆续搭载。性价比不高的技术一定会被市场淘汰，而不是被专家或厂家淘汰。