Когда речь заходит об электромобилях (ЭМ), речь часто идёт о запасе хода, разгоне и скорости зарядки. Однако за этими потрясающими характеристиками скрывается тихий, но важный компонент:Система управления аккумулятором электромобиля (BMS).
Систему BMS можно считать надёжным «стражем аккумулятора». Она не только следит за температурой и выносливостью аккумулятора (напряжением), но и обеспечивает слаженную работу всех элементов системы. Как подчёркивается в отчёте Министерства энергетики США, «развитое управление аккумулятором критически важно для содействия внедрению электромобилей».¹
Мы подробно рассмотрим этого малоизвестного героя. Начнём с того, чем он управляет — с типов аккумуляторов, — затем перейдём к его основным функциям, к его архитектуре, подобной мозгу, и, наконец, взглянем на будущее, основанное на искусственном интеллекте и беспроводных технологиях.
1. Понимание «сердца» BMS: типы аккумуляторов электромобилей
Конструкция BMS неразрывно связана с типом аккумулятора, которым она управляет. Различные химические составы требуют совершенно разных стратегий управления. Понимание этих аккумуляторов — первый шаг к пониманию сложности конструкции BMS.
Аккумуляторы для электромобилей: сравнительный анализ и тенденции развития
| Тип батареи | Ключевые характеристики | Преимущества | Недостатки | Фокус управления BMS |
|---|---|---|---|---|
| Литий-железо-фосфат (LFP) | Экономичный, очень безопасный, с длительным сроком службы. | Отличная термостойкость, низкий риск теплового пробоя. Срок службы может превышать 3000 циклов. Низкая стоимость, не содержит кобальта. | Относительно низкая плотность энергии. Низкая производительность при низких температурах. Сложно оценить уровень заряда. | Высокоточная оценка SOC: Требуются сложные алгоритмы для обработки плоской кривой напряжения.Низкотемпературный предварительный нагрев: Требуется мощная интегрированная система отопления с использованием батарей. |
| Никель-марганец-кобальт (NMC/NCA) | Высокая плотность энергии, большой запас хода. | Высочайшая плотность энергии для увеличения дальности. Лучшая производительность в холодную погоду. | Более низкая термостойкость. Более высокая стоимость из-за кобальта и никеля. Срок службы обычно короче, чем у LFP. | Активный мониторинг безопасности: Мониторинг напряжения и температуры ячейки с точностью до миллисекунд.Мощная активная балансировка: Поддерживает постоянство среди ячеек с высокой плотностью энергии.Жесткая координация управления температурным режимом. |
| Твердотельный аккумулятор | Использует твердый электролит, рассматривается как следующее поколение. | Абсолютная безопасность: Принципиально исключает риск возгорания из-за утечки электролита.Сверхвысокая плотность энергии: Теоретически до 500 Вт·ч/кг.Более широкий диапазон рабочих температур. | Технология еще не до конца развита; высокая стоимость. Проблемы с сопротивлением интерфейса и циклическим сроком службы. | Новые сенсорные технологии: Может потребоваться мониторинг новых физических величин, таких как давление.Оценка состояния интерфейса: Контроль состояния интерфейса между электролитом и электродами. |
2: Основные функции BMS: что она на самом деле делает?
Полноценная система управления бизнесом (BMS) подобна разностороннему эксперту, одновременно выполняющему функции бухгалтера, врача и телохранителя. Её работу можно разделить на четыре основные функции.
1. Оценка состояния: «Указатель уровня топлива» и «Отчёт о состоянии»
•Состояние заряда (SOC):Вот что волнует пользователей больше всего: «Сколько осталось заряда батареи?» Точная оценка уровня заряда батареи избавляет от беспокойства о запасе хода. Для таких аккумуляторов, как LFP, с плоской кривой напряжения точная оценка уровня заряда батареи — техническая задача мирового уровня, требующая сложных алгоритмов, таких как фильтр Калмана.
•Состояние здоровья (SOH):Это позволяет оценить состояние аккумулятора по сравнению с состоянием нового аккумулятора и является ключевым фактором при определении стоимости подержанного электромобиля. Если аккумулятор имеет уровень заряда 80%, его максимальная ёмкость составляет всего 80% от ёмкости нового аккумулятора.
2. Балансировка клеток: искусство командной работы
Аккумуляторная батарея состоит из сотен или тысяч ячеек, соединённых последовательно и параллельно. Из-за незначительных производственных различий их скорости заряда и разряда будут незначительно различаться. Без балансировки ячейка с наименьшим зарядом будет определять конечную точку разряда всей батареи, а ячейка с наибольшим зарядом — конечную точку зарядки.
•Пассивная балансировка:Сжигает избыточную энергию из высокозаряженных элементов с помощью резистора. Это просто и дёшево, но генерирует тепло и тратит энергию впустую.
•Активная балансировка:Передаёт энергию от более заряженных элементов к менее заряженным. Это эффективно и может увеличить дальность действия, но сложно и дорого. Исследования SAE International показывают, что активная балансировка может увеличить полезную ёмкость аккумулятора примерно на 10%⁶.
3. Защита безопасности: бдительный «Страж»
Это важнейшая функция BMS. Система непрерывно контролирует параметры аккумулятора с помощью датчиков.
•Защита от повышенного/пониженного напряжения:Предотвращает перезарядку и чрезмерную разрядку — основные причины необратимого повреждения аккумулятора.
•Защита от перегрузки по току:Быстро отключает цепь при аномальных токах, таких как короткое замыкание.
•Защита от перегрева:Аккумуляторы чрезвычайно чувствительны к температуре. Система BMS контролирует температуру, ограничивает мощность при её слишком высокой или слишком низкой температуре и активирует системы обогрева или охлаждения. Предотвращение теплового разгона — её главный приоритет, что крайне важно для комплексного решения.Проектирование зарядной станции для электромобилей.
3. Мозг BMS: как он устроен?
Выбор правильной архитектуры BMS — это компромисс между стоимостью, надежностью и гибкостью.
Сравнение архитектур BMS: централизованная, распределенная и модульная
| Архитектура | Структура и характеристики | Преимущества | Недостатки | Представительные поставщики/технологи |
|---|---|---|---|---|
| Централизованный | Все провода датчиков ячеек подключаются непосредственно к одному центральному контроллеру. | Низкая стоимость Простая структура | Единая точка отказа Сложная проводка, тяжелая Плохая масштабируемость | Texas Instruments (TI), Инфинеонпредлагаем высокоинтегрированные однокристальные решения. |
| Распределенный | Каждый модуль батареи имеет собственный подчиненный контроллер, подчиняющийся главному контроллеру. | Высокая надежность. Высокая масштабируемость. Простота обслуживания. | Высокая стоимость Сложность системы | Аналоговые устройства (ADI)Беспроводная система BMS (wBMS) компании является лидером в этой области.NXPтакже предлагает надежные решения. |
| Модульный | Гибридный подход между двумя предыдущими, обеспечивающий баланс стоимости и производительности. | Хороший баланс Гибкая конструкция | Ни одной выдающейся черты; средний по всем параметрам. | Поставщики первого уровня, такие какМареллииПрехпредлагаем такие индивидуальные решения. |
A распределенная архитектура, особенно беспроводные BMS (wBMS), становятся отраслевым трендом. Это устраняет необходимость в сложных коммуникационных проводах между контроллерами, что не только снижает вес и стоимость, но и обеспечивает беспрецедентную гибкость в проектировании аккумуляторных батарей и упрощает интеграцию сОборудование для электромобилей (EVSE).
4: Будущее BMS: тенденции развития технологий следующего поколения
Технология BMS далека от своего конечного уровня: она развивается, становясь более интеллектуальной и взаимосвязанной.
•Искусственный интеллект и машинное обучение:Системы управления зданием (BMS) будущего больше не будут полагаться на фиксированные математические модели. Вместо этого они будут использовать искусственный интеллект и машинное обучение для анализа огромных объёмов исторических данных, чтобы более точно прогнозировать состояние оборудования (SOH) и остаточный срок службы (RUL), а также выдавать ранние предупреждения о потенциальных неисправностях⁹.
• Подключенная к облаку система BMS:Загрузка данных в облако позволяет осуществлять удалённый мониторинг и диагностику аккумуляторов транспортных средств по всему миру. Это не только позволяет обновлять алгоритм BMS по беспроводной связи (OTA), но и предоставляет ценные данные для исследований аккумуляторов следующего поколения. Эта концепция «транспорт-облако» также закладывает основу дляv2g(Автомобиль-сеть)технологии.
•Адаптация к новым технологиям аккумуляторов:Будь то твердотельные батареи илиПроточная батарея и основные технологии LDESЭти новые технологии потребуют совершенно новых стратегий управления BMS и технологий датчиков.
Контрольный список инженерного проектирования
Для инженеров, занимающихся проектированием или выбором BMS, ключевыми моментами являются следующие моменты:
•Уровень функциональной безопасности (УПБА):Соответствует ли этоИСО 26262Стандарт? Для критически важного компонента безопасности, такого как BMS, обычно требуется ASIL-C или ASIL-D¹⁰.
•Требования к точности:Точность измерения напряжения, тока и температуры напрямую влияет на точность оценки SOC/SOH.
•Протоколы связи:Поддерживает ли он основные автомобильные протоколы шин, такие как CAN и LIN, и соответствует ли он требованиям к связи?Стандарты зарядки электромобилей?
•Возможность балансировки:Активная или пассивная балансировка? Каков ток балансировки? Соответствует ли она конструктивным требованиям аккумуляторной батареи?
•Масштабируемость:Можно ли легко адаптировать решение к различным платформам аккумуляторных батарей с различной емкостью и уровнем напряжения?
Эволюционирующий мозг электромобиля
TheСистема управления аккумулятором электромобиля (BMS)Это неотъемлемая часть современной технологии электромобиля. Он превратился из простого монитора в сложную встроенную систему, объединяющую датчики, вычисления, управление и связь.
По мере развития технологий аккумуляторных батарей и таких передовых областей, как искусственный интеллект и беспроводная связь, система управления транспортными средствами (BMS) будет становиться всё более интеллектуальной, надёжной и эффективной. Она не только гарантирует безопасность транспортного средства, но и является ключом к раскрытию полного потенциала аккумуляторных батарей и созданию более экологичного будущего в сфере транспорта.
Часто задаваемые вопросы
В: Что такое система управления аккумулятором электромобиля?
A: An Система управления аккумулятором электромобиля (BMS)Это «электронный мозг» и «хранитель» аккумуляторной батареи электромобиля. Это сложная система аппаратного и программного обеспечения, которая постоянно контролирует и управляет каждым отдельным элементом аккумулятора, обеспечивая его безопасную и эффективную работу в любых условиях.
В: Каковы основные функции BMS?
A:Основные функции BMS включают в себя: 1)Оценка состояния: Точный расчет оставшегося заряда аккумулятора (состояния заряда — SOC) и его общего состояния (состояния здоровья — SOH). 2)Балансировка клеток: обеспечение равномерного уровня заряда всех ячеек в аккумуляторной батарее для предотвращения перезаряда или чрезмерной разрядки отдельных ячеек. 3)Безопасность Защита: отключение цепи в случае превышения напряжения, понижения напряжения, превышения тока или превышения температуры для предотвращения опасных событий, таких как тепловой пробой.
В: Почему BMS так важна?
A:BMS напрямую определяет электромобильбезопасность, дальность полета и срок службы батареиБез BMS дорогостоящий аккумулятор может выйти из строя из-за дисбаланса элементов в течение нескольких месяцев или даже загореться. Современная BMS — залог большого запаса хода, длительного срока службы и высокой безопасности.
Время публикации: 18 июля 2025 г.