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    新能源车的命脉 简析电池管理系统
    2019-02-03 14:23:10 来源:CE5E能源咨询网

    新能源汽车,特别是那些依靠电池组供电,电动机驱动的纯电动车们,它们在结构上和传统动力车型有着非常大的区别。对于纯电动车来说,三电系统是这种车最核心的,也是关系到包括寿命、性能、衰减等各方面表现的最重要的一环。

    虽然相对燃油车那复杂的动力系统更简单,但纯电动车的三电系统同样有非常高深的学问,在今天这篇科普文章中,我打算先给大家介绍纯电动车三电系统中最复杂,调校开发难度最大,也是最受人关注的PMS,即电池管理系统的原理和技术难点。

    避开电池谈PMS就是耍流氓

    首先介绍一下纯电动车上的三电系统都是啥。三电系统分为电池、电机和PMS三大模块。而PMS,全称Power Management System,直译为能量管理系统。其实PMS系统的真正用途,是对整个三电系统进行统一管理。但PMS要管的两大模块,一个电机一个电池,电机是没什么好管的,无非就是通电,控制变频器,改变一下电流之类的简单参数,一个小小的单片机就能搞定,用不着PMS出马。PMS真正要管的,是电池组。

    在说PMS之前,首先大家要知道电池组的一些特性。现在无论是特斯拉用的那种圆柱形18650电芯,还是其他厂家用的封包型电池,他们本质上都是锂电池,和你手机里的那个没啥区别。锂电池本身是一种非常易燃易爆的危险物品,很容易就会鼓包起火爆炸,那为什么会这样?

    我们先从最基础的原理开始说起,电池的结构其实很简单,正负极,里面是一些极性为正的锂离子,正负极之间有一层膜挡着,这层膜叫SEI膜,SEI膜旁边还有一层电解液(常见的电池挂了,流出来的那些水就是电解液)。

    工作原理也很简单,锂离子就像我们人一样,也是有家的,它们的家就是正极,但呆在家没法创造价值建设社会主义新时代啊,于是就需要充电,充电就是把锂离子从家里赶出来,强迫他们跑到公司(负极)去,当所有锂离子全都“上班”了,那么这个电池,就算充满电了。

    但正如大家下了班就赶紧往家赶一样,锂离子“下班”之后,也急急忙忙冲回他们的家,这就是放电,因为离子们实在是思乡心切,放电一般都会伴随着很大的能量释放,这就是为什么电池能提供能源了。

    但跟人一样,天气太冷了,相当一部分锂离子就会懒癌发作,呆在家或者呆在公司不愿意动,同时天气冷了,就像现在的行业寒冬一样,公司要裁员要缩减规模,本来能坐100个锂离子的公司,因为太冷,现在就只能坐50个人了,那剩下的50人咋办呢?只能回家了。这就是锂电池冬天为啥会电量不足。那么天气太热呢?正如我们人类在夏天火气大容易动怒一样,锂离子也会,所以,温度过高,电池就很容易烧起来。

    电池为什么会起火?

    大多数纯电动车起火,都是发生在充电,尤其是快充阶段,为什么?前面说到,充电其实就是离子在电池内部的相互迁移。如果充电速度慢,而那张分隔膜质量过关的话,这不会发生任何问题。但问题,就出在快充阶段。

    所谓快充,其实根本没有什么高技术可言,无论是你手机电脑的快充或者是电动车的快充,都是基于一个很简单的原理:加大充电电流或电压(或同时加大),直接提高充电功率。但对于电池来说,无论是加大电压还是加大电流,本质都是让离子迁移速度加快。这时候问题就来了。

    离子运动速度越快,就会产生越高的热量,这也就是为什么你的手机快充时电池特别热的原因。同时,速度过高的离子运动,会让过多的锂离子相互融合,正负离子相互撞击融合,会析出锂晶体,当锂晶体有一定规模后,就很可能会直接刺破分隔膜,从而导致的结果就是热失控,也就是电池起火甚至爆炸。而在汽车电池组这种高密度结构中,只要其中一个模块的锂电池热失控,不能承受热的其他锂电池模块马上会跟着起火爆炸,最终会导致什么结果?就是电动车自燃了。

    PMS,就是控制这个的

    那么怎么确保电动车在快充阶段,既能快速充电,又不会引起电池温度过高甚至热失控?这就是PMS主要做的事。其实快充必然会引起发热,发热必然会加大热失控风险,这是无法两全的。所以现在所有PMS系统的工作内容核心,就是严格控制充电电流,严格监控电池组内每一块电池的温度、电流、电压和内阻值。

    至于如何监控,监控有没有效?发现潜在风险时的解决方案是什么?是直接把大电流切断?还是单独切断某个电池的供电?这里面有非常多的学问,而且这都是属于软件调校方面的算法。一些有实力的大厂,自然会投入非常多的资源用于PMS算法的优化,但大家要知道,PMS算法的优化,是非常烧钱非常漫长的事情。

    所以很多没啥实力,或者是半路出家的厂家们,一般会退而求其次,直接去买别人开发好的通用算法。但通用算法不能保证一定适合这辆车的状况。特别要指出的是,特斯拉的PMS算法是全球最先进的,但由于特斯拉本身的电池组技术方案,是并联上万颗18650或21500圆柱形电芯实现,因此就算特斯拉的算法再先进,面对上万颗电池同时工作,特斯拉电池组的热失控风险,其实是远高于其他车厂的。因此大家也可以看到,特斯拉的自燃事故,几乎是纯电动车里最高的。

    PMS并非万能仙丹,电池本身性能才是

    所以其实PMS的算法再先进,处理速度再快,这种系统其实只是在应急时救命用的,作为一辆车的动力来源,电池组本身的性能和耐久性才是最重要的。只可惜,业界顶尖的电池组售价,一般是普通电池组的十倍以上,而花了十倍价格买来的顶级电池组,在电容量、充电速度等任何方面,跟普通电池组是没有区别的。只有在用了5年之后,顶级电池组的价值才会开始慢慢体现出来,而这,并不能作为一辆纯电动车,在价格战激烈的市场上获得优势的办法。

    所以电动车自燃频发,不是PMS算法不好,也不是充电桩有问题,归根到底,其实只是厂家不愿意给车装上更贵,性能更稳定的高端电池组而已。但你能说这是厂家黑心吗?也不能,厂家当然可以给一辆只卖13W的纯电动车装上当今世界上最好的电池组,但售价要飙升到80W甚至100W,你愿意掏这个钱吗?


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