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新能源車的命脈:電池管理系統

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年03月02日  

新能源汽車,特別是那些依靠電池組供電,電動機驅動的純電動車們,它們在結構上和傳統動力車型有著非常大的區別。對于純電動車來說,三電系統是這種車最核心的,也是關系到包括壽命、性能、衰減等各方面表現的最重要的一環。

雖然相對燃油車那復雜的動力系統更簡單,但純電動車的三電系統同樣有非常高深的學問,在今天這篇科普文章中,我打算先給大家介紹純電動車三電系統中最復雜,調校開發難度最大,也是最受人關注的PMS,即電池管理系統的原理和技術難點。

避開電池談PMS就是耍流氓

首先介紹一下純電動車上的三電系統都是啥。三電系統分為電池、電機和PMS三大模塊。而PMS,全稱PowerManagementSystem,直譯為能量管理系統。其實PMS系統的真正用途,是對整個三電系統進行統一管理。但PMS要管的兩大模塊,一個電機一個電池,電機是沒什么好管的,無非就是通電,控制變頻器,改變一下電流之類的簡單參數,一個小小的單片機就能搞定,用不著PMS出馬。PMS真正要管的,是電池組。

在說PMS之前,首先大家要知道電池組的一些特性。現在無論是特斯拉用的那種圓柱形18650電芯,還是其他廠家用的封包型電池,他們本質上都是鋰電池,和你手機里的那個沒啥區別。鋰電池本身是一種非常易燃易爆的危險物品,很容易就會鼓包起火爆炸,那為什么會這樣?

我們先從最基礎的原理開始說起,電池的結構其實很簡單,正負極,里面是一些極性為正的鋰離子,正負極之間有一層膜擋著,這層膜叫SEI膜,SEI膜旁邊還有一層電解液(常見的電池掛了,流出來的那些水就是電解液)。

工作原理也很簡單,鋰離子就像我們人一樣,也是有家的,它們的家就是正極,但呆在家沒法創造價值建設社會主義新時代啊,于是就需要充電,充電就是把鋰離子從家里趕出來,強迫他們跑到公司(負極)去,當所有鋰離子全都“上班”了,那么這個電池,就算充滿電了。

但正如大家下了班就趕緊往家趕一樣,鋰離子“下班”之后,也急急忙忙沖回他們的家,這就是放電,因為離子們實在是思鄉心切,放電一般都會伴隨著很大的能量釋放,這就是為什么電池能提供能源了。

但跟人一樣,天氣太冷了,相當一部分鋰離子就會懶癌發作,呆在家或者呆在公司不愿意動,同時天氣冷了,就像現在的行業寒冬一樣,公司要裁員要縮減規模,本來能坐100個鋰離子的公司,因為太冷,現在就只能坐50個人了,那剩下的50人咋辦呢?只能回家了。這就是鋰電池冬天為啥會電量不足。那么天氣太熱呢?正如我們人類在夏天火氣大容易動怒一樣,鋰離子也會,所以,溫度過高,電池就很容易燒起來。

電池為什么會起火?

大多數純電動車起火,都是發生在充電,尤其是快充階段,為什么?前面說到,充電其實就是離子在電池內部的相互遷移。如果充電速度慢,而那張分隔膜質量過關的話,這不會發生任何問題。但問題,就出在快充階段。

所謂快充,其實根本沒有什么高技術可言,無論是你手機電腦的快充或者是電動車的快充,都是基于一個很簡單的原理:加大充電電流或電壓(或同時加大),直接提高充電功率。但對于電池來說,無論是加大電壓還是加大電流,本質都是讓離子遷移速度加快。這時候問題就來了。

離子運動速度越快,就會產生越高的熱量,這也就是為什么你的手機快充時電池特別熱的原因。同時,速度過高的離子運動,會讓過多的鋰離子相互融合,正負離子相互撞擊融合,會析出鋰晶體,當鋰晶體有一定規模后,就很可能會直接刺破分隔膜,從而導致的結果就是熱失控,也就是電池起火甚至爆炸。而在汽車電池組這種高密度結構中,只要其中一個模塊的鋰電池熱失控,不能承受熱的其他鋰電池模塊馬上會跟著起火爆炸,最終會導致什么結果?就是電動車自燃了。

PMS,就是控制這個的

那么怎么確保電動車在快充階段,既能快速充電,又不會引起電池溫度過高甚至熱失控?這就是PMS主要做的事。其實快充必然會引起發熱,發熱必然會加大熱失控風險,這是無法兩全的。所以現在所有PMS系統的工作內容核心,就是嚴格控制充電電流,嚴格監控電池組內每一塊電池的溫度、電流、電壓和內阻值。

至于如何監控,監控有沒有效?發現潛在風險時的解決方案是什么?是直接把大電流切斷?還是單獨切斷某個電池的供電?這里面有非常多的學問,而且這都是屬于軟件調校方面的算法。一些有實力的大廠,自然會投入非常多的資源用于PMS算法的優化,但大家要知道,PMS算法的優化,是非常燒錢非常漫長的事情。

所以很多沒啥實力,或者是半路出家的廠家們,一般會退而求其次,直接去買別人開發好的通用算法。但通用算法不能保證一定適合這輛車的狀況。特別要指出的是,特斯拉的PMS算法是全球最先進的,但由于特斯拉本身的電池組技術方案,是并聯上萬顆18650或21500圓柱形電芯實現,因此就算特斯拉的算法再先進,面對上萬顆電池同時工作,特斯拉電池組的熱失控風險,其實是遠高于其他車廠的。因此大家也可以看到,特斯拉的自燃事故,幾乎是純電動車里最高的。

PMS并非萬能仙丹,電池本身性能才是

所以其實PMS的算法再先進,處理速度再快,這種系統其實只是在應急時救命用的,作為一輛車的動力來源,電池組本身的性能和耐久性才是最重要的。只可惜,業界頂尖的電池組售價,一般是普通電池組的十倍以上,而花了十倍價格買來的頂級電池組,在電容量、充電速度等任何方面,跟普通電池組是沒有區別的。只有在用了5年之后,頂級電池組的價值才會開始慢慢體現出來,而這,并不能作為一輛純電動車,在價格戰激烈的市場上獲得優勢的辦法。

所以電動車自燃頻發,不是PMS算法不好,也不是充電樁有問題,歸根到底,其實只是廠家不愿意給車裝上更貴,性能更穩定的高端電池組而已。但你能說這是廠家黑心嗎?也不能,廠家當然可以給一輛只賣13W的純電動車裝上當今世界上最好的電池組,但售價要飆升到80W甚至100W,你愿意掏這個錢嗎?

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