【招银研讨|职业深度】动力电池之电池办理体系篇——动力电池的软实力把握“数据”方

发布时间:2022-11-21 22:47:45 来源:欧宝投注

  电气化进程加快,BMS(电池办理体系)的重要性日益凸显,首要体现在:①防止电池超“临界区域”作业,确保动力电池安全。②确保电池在“合理区域”作业,延伸电池寿数。③尽或许缩小电芯间的“纷歧致”,进步电池体系的有用能量。获益于新能源轿车高增长盈余,BMS职业有望迎来高增长,估量2025年商场规划将达160亿。

  ■ 功用:BMS是动力电池的中心。BMS的功用包含:①感知,即电池物理参数(电压、电流和温度)监测,是BMS的根本功用。②决议计划,即电池状况(SOx)估量,是BMS算法操控的中心。③履行,BMS首要的履行动作有:确保电池安全、操控电池充放电、热办理和毛病预警。

  ■ 趋势:高精度,被迫均衡,散布式,无线化。磷酸铁锂电池占比进步,高精度算法(卡尔曼滤波法和神经网络法)是未来开展方向;出于电路结构和本钱考虑,被迫均衡仍是未来干流;跟着新能源轿车不断向长续航、高电压和途径化方面开展,散布式和无线化BMS将是未来干流方向。

  ■ 格式:电池厂和整车厂将成为执牛耳者。BMS作为动力电池的“大脑”,工业链各个环节的主体均有参加布局,全体来说首要有三类:即动力电池企业(企业数量占比46%)、整车企业(企业数量占比21%)和第三方BMS企业(企业数量占比33%)。从资金、人员、客户、数据和研制等多种有形和无形资源的视点来考量,专业的第三方BMS企业虽然在软件研制上有必定优势,但在资金实力和客户粘性方面有所缺乏,简略沦为整车厂或动力电池企业的代工厂,乃至被其吞并收买。而动力电池企业和整车厂把握“数据”这一中心竞赛力,并在资金实力、研制人员、交给才干和本钱操控等方面更有优势,若能进一步补强软件算法方面的短板,未来将有望占有商场主导地位。

  ■ 危险提示:重视芯片供给缺少的危险、要害原资料价格动摇的危险、新能源轿车销量不及预期的危险和相关范畴方针改变危险等。(本部分有删减,招商银行各部如需陈述原文,请参照文末办法联络研讨院)

  电池办理体系(Battery Management System,即BMS)是衔接动力电池和新能源整车的重要枢纽,经过监测电芯的状况参数,如电压、电流和温度等,来预算整个电池体系的状况,并依据核算得到的电池状况对动力电池体系进行相应的操控调整和战略施行,完结对动力电池体系及各单体电芯的充放电办理以确保动力电池体系安全安稳地运转。本文旨在经过整理BMS的职业现状,商场空间,根本功用,技能趋势来研判BMS职业的竞赛格式。

  BMS的雏形是维护板。传统的锂电池维护板首要用于消费类电池,它的功用较为单一,首要完结电池状况监测和安全剖析功用。跟着新能源轿车的快速开展,杂乱、大型的锂电池组被广泛运用,简略的维护板现已不能满意需求,BMS由此诞生。在满意维护板功用的根底上,BMS还参加了通讯、均衡办理、电池剩下容量(State of Charge)估量等功用。国外首要规划出BMS的是德国,国内清华大学在20世纪90年代发动相关研讨,现在特斯拉代表了职业头部水平,国内BMS相关企业正在尽力追逐。

  防止电池跳过“临界区域”作业,确保动力电池安全。依据新能源轿车国家大数据联盟的数据,2020年新能源轿车起火事端共产生124起,与2019年比较增幅达47%。其间电池自燃的占比为38%,充电进程起火占比14%,充电设备毛病占比5%,过充电占比1%,别的产生起火的原因还有零部件老化以及违规改装等。而在2019~2020年产生的事端中,70%以上是能够经过有用的电池办理体系削减或许防止的。动力电池在作业时都有必定的运用条件——充电电流约束、放电电流约束、作业温度约束、单体电压约束等等。电池作业条件分“合理区域”和“临界区域”,当电池作业条件跳过“临界区域”时,产生安全事端的概率就会大增。这时,BMS就有必要决断采纳办法,以防止事端的产生。

  确保电池在“合理区域”作业,延伸电池寿数。当电池作业状况坐落“合理区域”时,电池寿数最长。进入“临界区域”寿数会显着下降,跳过了“临界区域”则有安全隐患。为了进步电池的运用寿数尽量让电池作业在“合理区域”,当电池跳过“合理区域”后要给用户报警提示,或是履行维护功用(如冷却,约束功率等)让电池回归“合理区域”。

  缩小电芯间的“纷歧致”,进步电池体系的运用功率。单个电池的能量有限,所以大多是N个电池串联在一同运用,咱们称串在一同的电池为电池串。因为电池之间总是存在差异,存储的能量也有差异。而电池的过放和过充是电池的两种极度危险状况。放电时,当某个电池到达放电下限时,即便其他电池仍有能量,放电也不得不完毕。反之,充电时,当某个电池电压现已到达上限,即便其他电池没有足够,充电不得不间断。因而,放电受限于串联中电压最低的电池,充电受限于电压最高的电池。可见,“有用储能”小于“理论储能”。在没有BMS状况下,电池间的差异化会越来越大,因而“有用储能”会越来越少。电池价值就在于其“有用储能”。假如BMS能按捺电池“一致性”变差的趋势,就意味着“有用能量”愈加挨近“理论能量”,然后能够进步电池体系的运用功率。

  获益于新能源轿车高增长盈余,BMS有望构成百亿级商场。BMS单车价值量与电池的类型、数量、电压等要素有关,在不核算电池封装的状况下,结合现在商场现状看,一般每辆车BMS价格在400-10000元不等。客车电池容量大,电压等级高,单套BMS价格较贵;乘用车和专用车电压等级较低,价格也相对廉价。估量到2025年,我国电气化车型销量将到达1275万辆,其间BEV车型销量估量到达925万辆,PHEV车型销量估量到达204万辆,HEV车型销量估量到达90万台,48V车型销量估量为55万辆。关于商场空间测算,2021年BEV乘用车BMS单车价值量为1760元/辆,BEV商用车为5960元/辆,PHEV乘用车为1727元/辆,PHEV商用车为2725元/辆,HEV乘用车为1168元/辆,48V乘用车为447元/辆。咱们假定跟着未来电气化车型放量下,单车BMS价格呈现逐年下降的趋势,到2025年BMS职业有望到达160亿的商场规划。

  以散布式电池办理体系为例,其硬件包含以下四个部分:(1)主板:搜集来自各从板的采样信息,经过低压电气接口与整车进行通讯,操控BDU内的继电器作动,实时监控电池的各项状况,确保电池在充放电进程中的安全运用。(2)从板:监控电芯的单体电压、单体温度等信息,将信息传输给主板,具有电池均衡功用。(3)配电盒(Battery Distribution Unit):经过高压电气接口与整车高压负载和快充线束衔接,包含预充电路、总正继电器、总负继电器、快充继电器等,受主板操控;(4)高压操控板:可集成在主板,也可独立出来,实时监控着电池包的电压电流,一同还包含预充检测和绝缘检测功用。

  车规级BMS芯片技能门槛高,国外企业垄断商场。车规级半导体企业在进入整车厂的供给链体系前,一般需经过质量办理体系IATF 16949和可靠性规范AEC-Q等系列认证。在完结相关车规级规范规范的认证和审阅后,还需阅历苛刻的运用测验验证和长周期的上车验证,才干进入轿车前装供给链。BMS的MCU芯片需求许多专有技能(know-how)经历堆集,现在许多老练解决计划被恩智浦、英飞凌等厂商把握;BMS的AFE芯片的首要供给商为ADI、TI等海外公司。

  电池状况监测是电池办理体系最根本的功用,是其他各项功用的条件与根底,首要经过对应的传感器进行收集。电池状况监测一般指对电池电压(电芯电压和总电压)、电池电流和温度等三种物理量的监测,由相应的传感器担任采样和监测。关于电压的监测经过对应的采样电路收集每个电芯和电池包的总电压;关于温度的监测首要经过温度传感器(NTC)进行丈量,一般电压和温度采样一同集成在电芯衔接体系(cell connection systems,CCS)中。除了针对电池本身,还应对环境温度、电池包的温度、热办理体系进出水口的温度等进行监测。电池的电流经过电流传感器进行监测,常见的电流传感器首要有分流式和霍尔式。因为安全法规趋严,BMS后续或许会参加压力和气体传感器用以监测压力改变和气体信号,为动力电池体系供给热失控预警功用。

  电池状况(SOx)估量是BMS算法操控的中心,常用的电池状况首要包含SOC和SOH,其间SOC是其他状况剖析的根底。SOC的全称是State of Charge,就像传统轿车用户常常需求留心车上剩下的油量还有多少相同,关于电动轿车用户而言,需求知道剩下的电量还有多少。SOC除了用百分比来反映以外,还常常被换算为等效时间或等效路程来表明,让用户取得更为直观的信息,当然,这些都是预算值,带有必定的差错。

  另一个电池状况剖析的重要功用便是对电池老化状况(State of Health,SOH)的评价,这一状况也常用一个百分比来反映。假如一个电池在刚出厂的时分的最大容量为1,那么经过屡次循环今后,电池所能包容的最大容量相关于刚出厂时容量的百分比,就反响了电池的老化状况。SOH受动力电池运用进程中的作业温度、放电流的巨细等要素的影响,需求在运用进程中不断进行评价和更新,以确保用户取得更为准确的信息。一般关于动力电池而言,一般在经过500个深度充放电循环运用今后,SOH依然能够到达80%以上。

  电池组中电芯间的一致性越高,SOx预算就越精准。单个电芯的SOx预算能够选用历史数据模仿,相对简略,而对动力电池组来讲,是由多个单体电芯串并联而成的,电池数目越多,电池之间的差异也就会越大,SOC的预算要具体考虑电池组中每个电池的状况,这是十分困难的。因而实践中,选用的办法是将整个电池组视为一个单体来进行预算。这就意味着电池的一致性越高,预算的累计差错会越小。在电芯确认的状况下,BMS对SOx的预算越好,就越能延伸动力电池组的寿数,最大化进步能量运用功率。

  电池办理体系经过收集电池参数,对电池的状况进行评价后,经过本身或与其他零部件协同将电池的状况调理到电池的“合理区”,首要的履行动作有:确保安全、操控充放、热办理和毛病预警。

  电池安全维护无疑是电动轿车办理体系首要的、最重要的功用,过流维护、过充过放维护、过温维护是最为常见的电池安全维护的内容。过流维护,有时也被称为过电流维护,指的是在充、放电进程中,假如作业电流超过了安全阈值,则采纳相应的安全维护办法,如约束功率,极点状况下经过熔断主回路Fuse来维护高压零部件的安全。以特斯拉的Pyro-fuse为例,电池体系中存在反常大电流时,可自动触发Pyro-fuse断开电流回路。过充维护是指电池电量为100%的状况下,为了防止继续充电形成电池损坏,而采纳堵截电池的充电回路的维护办法;过放维护指在电池的剩下电量为0的状况下,若继续对电池进行放电,也会对电池形成损坏,此刻应采纳办法,堵截电池的放电回路。

  充放电操控使电池发挥更大效能。电池的充电操控办理,是指电池办理体系在电池充放电进程中对充电电压、充电电流等参数进行实时的优化操控,优化的方针包含充电时长、充电功率以及充电的丰满程度等。放电操控办理,是指在电池的放电进程中依据电池的状况对放电电流巨细进行操控,这一项功用在以往某些体系中常被忽视,在这些简略的体系中,电池包被以为只需求供给电能,不产生安全问题即可。可是,在一个较为先进和完善的体系中,参加了放电操控办理的功用,能够使动力电池组发挥更大的效能。

  热办理是电池体系继续高效的重要确保。锂离子电池的功用、寿数和安全性对温度十分灵敏,一般动力电池最佳的作业温度范围在15~35摄氏度。动力电池在充放电进程中会放出许多的热,温度过高会形成电池寿数下降乃至会产生热失控的现象;温度过低,则会导致电化学反响活性下降,电池充放电功率下降。此外,假如电池体系中电芯间温差>

  10℃,依据木桶原理(电池组的功用由最差的电芯单体决议),其运用功率会大大下降。

  毛病预警是电池体系安全的最终一道确保。商场侧,跟着新能源轿车浸透率不断攀升,新能源轿车安全事端时有产生,毛病预警可有用确保驾乘者的生命财产安全;法规侧,安全要求加码,GB18384和GB38031等多个法规强制要求,电池体系产生热失控的安全事端前,应经过一个显着的信号(例如:声或光信号)设备向用户做出提示;车厂侧,预警监控提示,及时救援及售后作业推动,能够进步品牌安全形象。

  影响SOC预算精度的要素许多,动态高精度预算成为职业难题。影响SOC预算精度的要素首要有:①电池的类型。电池类型首要影响OCV(开路电压)特性,此处的电池类型不单指资料体系(三元电池和磷酸铁锂电池的电化学特性纷歧致),还包含电池的封装结构(方形、软包和圆柱电池的内部特征参数也纷歧致)。②充放电倍率与端电压对应联络特性。电池在作业状况下测得的电压实践上是端电压,在温度和电流安稳状况下它们的联络仍是相对安稳的,但电池的实践工况十分杂乱,这种对应联络一般会被打乱。③温度状况。温度对电池的各个参数都有影响,不同资料体系的电池对温度的灵敏性不同。④电池寿数状况。电池在运用进程中寿数将逐步衰减,衰减机理首要在于正负极资料晶格的陷落导致可逆锂离子的丢失,因而在预算SOC时还要考虑电池寿数状况对总容量的影响。以上原因使得动力电池的SOC准确预算具有十分大的挑战性。

  与三元电池比较,磷酸铁锂电池的SOC估量精度要求更高。在《动力电池之电池资料篇——辩趋势,谈供需,论格式》中,咱们以为三元和磷酸铁锂电池将长期处于共存状况,磷酸铁锂将凭仗其性价比和安全优势在储能,商用车和中低续航乘用车中勃产生机,而高镍三元将凭仗其高能量密度优势在中高续航乘用车中扩展比例。与三元电池比较,磷酸铁锂电池对SOC的精度要求更高,首要依据如下原因:①磷酸铁锂的充放电特性曲线十分陡峭。现在干流的SOC预算办法为开路电压+安时积分,因为磷酸铁锂的充放电特性曲线较陡峭,需求准确丈量(差错在1mV以内)电池的开路电压才干树立与SOC的映射联络,这给SOC的准确预算带来困难。②磷酸铁锂的自放电率较大。相同的存储条件下,磷酸铁锂的自放电率显着大于三元,因而磷酸铁锂需求高频次的均衡办理。③磷酸铁锂的充放电曲线存在显着的滞后特性。三元电池的充放电开路电压特性曲线能够根本重合,而磷酸铁锂不能重合,充放电开路电压特性曲线存在显着的滞后。④磷酸铁锂电池对温度较为灵敏。三元电池的开路电压随温度改变较小,而磷酸铁锂电池的开路电压随温度改变较大。

  电芯单体间的特性参数存在差异,车辆运用有必要进行均衡办理。这种纷歧致性首要来自两个方面:(1)出产制作产生的纷歧致。因为出产工艺问题和原料的不均匀性,使电芯的极片厚度、孔隙率、活性物质的活化程度等存在细小差异,这种电芯内部结构和原料上的差异或许会导致同一批次出厂的电芯在单体电压、额定容量、内阻等参数方面的纷歧致性。(2)装车运用产生的纷歧致性。在电芯实践装车运用时,因为各个电芯的装置方位不同、散热状况的差异、自放电程度纷歧等影响,在必定程度上增加了各电芯间参数的纷歧致性。因为这种纷歧致性,动力电池组在进行锂电池的串联运用时,就需求电池办理体系对电池容量在充、放电进程中进行动态均衡,以防止单个电芯呈现过充电或过放电,并最大极限的确保每个电芯单体的容量适当,然后确保整个电池体系的运用寿数和可靠性。现在在动力电池办理体系中运用的均衡办法首要有被迫均衡和自动均衡两大类。被迫均衡也被称为耗散型均衡,其完结办法是在每一个单体电芯上并联一个可控的电阻,将容量较高的电芯中的剩余能量消耗掉,完结整组电芯电压均衡。自动均衡也即能量转移均衡,其完结办法是将容量较高的电芯中的能量转移到容量较低的电芯中,在施行进程中需求一个储能环节(电容或电感),以便能量经过这个环节进行重新分配。

  现在干流的BMS的拓扑结构首要有集中式和散布式两类。集中式BMS是将一切的电压和温度收集模块以及均衡功用悉数集成在一块PCB板上,收集模块和主控模块的信息交互在PCB板上直接完结。散布式BMS是由一个主控板和多个从控板一起组成,从控担任对每一个电芯进行电压检测、温度检测、均衡办理以及相应的确诊作业,主控担任接纳从控收集的数据并进行电池体系的状况评价、充放电办理、热办理以及与整车的通讯等。集中式本钱低,但适用性较差,一般用于总电压低,体积小的电池体系中。集中式BMS的一切模块均在一块PCB板上,这样做的长处是本钱低,各模块间的通讯也简化了。缺陷也比较显着:(1)采样线束较杂乱。BMS采样需求与每个电芯直接相连,线束比较长,导致采样线)产生额定的电压差。因为每个电芯散布在不同方位,BMS与电芯衔接的采样线长短纷歧,导致在采样或均衡的时分产生额定的电压差,影响BMS的精度。(3)适用性较差。BMS所能支撑的最大采样通道有限,适用性较差。因而,集中式BMS常运用于总压低、电池体系体积小的场景中,如电动叉车、48V轻混和HEV车型。

  散布式本钱高,但拓展性强,跟着新能源轿车不断向长续航、高电压和途径化方面开展,散布式BMS是干流方向。散布式的BMS架构能完结模块层面和体系层面的分级办理,主控和从控功用独立,选用这种计划的体系本钱较高,但长处较杰出,首要体现在:(1)电池体系内部布局简略。模组安装进程简化,采样线束固定起来相对简略,BMS与电池间线束长度均匀,不存在压降纷歧致的问题。(2)可拓展性强。下流需求驱动新能源轿车不断朝着高续航、高电压和途径化开展,动力电池体系向CTP(Cell to Pack),CTC(Cell to Chasis)和CTV(Cell to Vehicle)不断进阶,散布式架构能够依据不同的电池体系串并联规划进行高效装备,能够支撑体积更大,集成度更高的电池体系。

  在现在的BMS体系中,CAN总线是运用最广泛的通讯办法,但跟着对本钱操控压力越来越大,许多厂家都在向菊花链的办法改变。现在的通讯办法首要有两类:

  第二类是菊花链通讯,也称为isoSPI通讯,仅适用于短程通讯(如乘用车)。依据菊花链的通讯办法具有以下特色:①归纳本钱低。菊花链通讯取消了主从模块上的CAN芯片,取而代之的是各家对应的转化芯片,这些转化芯片的本钱比CAN芯片更有优势;更大的部分是取消了从板上的MCU,并且线束会有显着削减;菊花链通讯需求增加的是通讯阻隔芯片。②安稳性方面相对较差。可是跟着对本钱操控压力越来越大,许多厂家都在向菊花链的办法改变,一些厂家一般会选用2条乃至更多的菊花链来增强通讯安稳性。

  资料来历:ADI、招商银行研讨院跟着动力电池体系朝着无模组化(Cell to Pack,Cell to Vehicle)开展,无线BMS的优势凸显:①体系冗余性更好。无论是CAN通讯仍是菊花链的串行链路通讯办法,一旦链路中的某个节点失效就有或许引起整个链路通讯中止。而无线BMS体系中单点失效对全体的影响不大,体系冗余性更好。②可拓展性更强。无线BMS在网络中增加和删去节点比较灵敏,可拓展性较强,能很好地与CTP、CTC及巧克力换电等做适配。③高压和低压能有用阻隔。轿车中大大都ECU都是出于低压(9~14V)体系中,而BMS则是衔接着高压(>

  400V)和低压(9~14V)的模块,因而在BMS规划中首要考虑的问题便是怎么有用地将高压和低压单元阻隔,削减高压体系对低压体系的搅扰,而选用无线通讯办法就能够天然地将高压单元和低压单元有用阻隔。④归纳本钱较低。若选用集中式架构,电池单体到BMS的采样线束比较长,这会影响动力电池的空间和分量;若选用散布式架构,BMS的本钱显着上升。而选用无线通讯既能让从控模块更接近电池模组,又能省去通讯线束,归纳本钱较低。

  从资金、人员、客户、数据和研制等多种有形和无形资源的视点来考量,整车企业和电池企业的规划更大,事务板块更丰厚,在资金、客户资源、数据资源和研制资源等方面具有较大优势,而专业的第三方企业虽然在软件技能上有必定优势,但在资金实力和客户安稳性方面有所缺乏,因而咱们以为动力电池企业和整车厂将占有主导地位。

  (本部分有删减,招商银行各部如需陈述原文,请参照文末办法联络研讨院)资料来历:招商银行研讨院

  电池厂横向布局BMS首要有以下优势:①数据优势。数据是BMS的根底,电池厂有着最丰厚的电池数据,具有全生命周期的数据矩阵,为BMS开发奠定坚实的数据根底;②算法优势。BMS的算法均要依据电池电化学的内涵机理,电池厂在整个新能源轿车工业链中是对电池电化学机理了解最深入的一环,无论是算法的建立仍是后期的批改都有很大优势;③客户优势。电池厂直接对接下流整车厂,能够供给一站式(电芯+BMS)解决计划的玩家将会更简略取得客户的喜爱;④本钱优势。电池厂能够凭仗客户优势开发途径化的BMS产品,叠加本身的规划效应,在BMS产品方面极具本钱竞赛力。

  归纳以上剖析,咱们以为动力电池企业和整车企业把握“数据”这一中心竞赛力,并在资金资源、研制人员、交给才干和本钱操控等方面更有优势,若能进一步补强软件算法方面的短板,未来将有望占有商场主导地位。

  (本部分有删减,招商银行各部如需陈述原文,请参照文末办法联络研讨院)(1)芯片供给缺少的危险:BMS芯片的技能门槛相对较高,比方BMS的MCU芯片需求许多专有技能经历堆集,现在许多老练解决计划被NXP,TI等国外厂商把握。2021年期间,车规级芯片的缺少对整个轿车职业产生较大影响。各大车企纷繁减产或调整车型出产结构,将有限的芯片资源分配至抢手车型,以应对因新车交给时间大幅延伸所导致的产销量下滑。依据AutoForecast Solutions的猜测数据,2021年全球轿车商场因芯片缺少累计减产值将到达1132.4万辆,其间,我国轿车商场累计减产值估量为214.8万辆,占总减产值的19%。假如因为运送、疫情、自然灾害、交易冲突等原因,导致全球范围内车规级芯片缺少进一步加重,职业或许面对巨大危险。

  (2)要害原资料价格动摇的危险:BMS产品原资料首要由规范器材(半导体类部件、电气类部件、电容类部件、电阻类部件、衔接类部件及辅助资料等)、定制类器材(磁性元件、结构件、五金&压铸部品、PCB板、衔接线束、包装及密封资料等)和指定类物料(由客户指定供给规格型号及供给途径的物料)组成。2021年新冠疫情在国外的连续,引发全球物料供给的严重,使职业或许面对相关原资料供给缺乏或价格动摇的危险。

  (3)新能源轿车销量不及预期的危险:动力电池办理体系归于新能源轿车工业链中游环节,受下流需求驱动显着。2021年12月31日,财政部、工业和信息化部、科技部、国家开展变革委联合发布《关于2022年新能源轿车推广运用财政补助方针的告诉》表明,2022年,新能源轿车补助规范在2021年根底上退坡30%;从2021年开端,新能源轿车上游原资料(如锂盐,镍盐,钴盐等)价格暴升,导致新能源轿车本钱不断攀升,大部分企业在本年3月上调了新能源轿车的价格。补助退坡叠加上游原资料上涨或许会对下流的新能源轿车的需求形成影响,导致新能源轿车销量不达预期,然后影响电池办理体系的配套出货。

  (4)方针改变的危险:国家财政补助方针等新能源轿车工业方针的调整在短期内对新能源轿车相关工业赢利空间和盈余才干有较显着的影响,假如未来相关工业方针产生严重调整,则BMS企业的运营成绩和盈余才干或许遭到较大的晦气影响,因而方针风向的改变需求时间重视。

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