動(dòng)力電池管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
圖為江西百思特銳動(dòng)力有限公司首席技術(shù)官、國(guó)家千人計(jì)劃特聘專(zhuān)家林健發(fā)表演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動(dòng)力電池行業(yè)運(yùn)行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，加大動(dòng)力及儲(chǔ)能電池的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國(guó)網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團(tuán)股份有限公司、壹能（北京）網(wǎng)絡(luò)科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國(guó)電池市場(chǎng)年會(huì)暨2016年第一屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)、2016年第二屆中國(guó)電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”于11月14日在北京拉開(kāi)帷幕。本次年會(huì)聚集了來(lái)自政府主管部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機(jī)構(gòu)專(zhuān)家、新能源汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機(jī)構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會(huì)。
在本次會(huì)議上，江西百思特銳動(dòng)力有限公司首席技術(shù)官、國(guó)家千人計(jì)劃特聘專(zhuān)家林健博士做了題為《動(dòng)力電池管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)》的專(zhuān)題報(bào)告，以下是根據(jù)速記整理的內(nèi)容，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
林健：秘書(shū)長(zhǎng)當(dāng)時(shí)給了我這么一個(gè)題目，覺(jué)得這個(gè)題目還是比較大的，如果仔細(xì)講要講很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間有限，所以可能很多地方要跳過(guò)去。
這個(gè)是我講的提綱，主要講BMS是做什么的，BMS的核心技術(shù)是什么？國(guó)外一般怎么做的？沒(méi)有辦法覆蓋所有的，但是絕大部分覆蓋了，最后介紹一下我們自己做的BMS。
如果大家參加了一些會(huì)，所有的專(zhuān)家基本上講BMS的時(shí)候一般都會(huì)講到說(shuō)BMS是保護(hù)電池、延長(zhǎng)電池壽命，但是幾乎沒(méi)有人講是要充分發(fā)揮電池能力的，我這里主要講BMS很重要的任務(wù)，就是使得電池盡量把它的能力發(fā)揮出來(lái)。
一個(gè)完整的BMS包括哪些東西呢？能夠精確的估算出SOC、SOP、SOH，有效的動(dòng)力均衡控制策略，容錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制，基于安全的跛性模型。主要的方法已經(jīng)轉(zhuǎn)到了用主動(dòng)均衡，我們至今為止，德國(guó)我不知道，日本也不知道，但是美國(guó)沒(méi)有一家用主動(dòng)均衡，原因我們等一下再談。對(duì)于BMS來(lái)說(shuō)，最重要是哪一部分，就是它的上升的應(yīng)用軟件，具體來(lái)說(shuō)就是估算策略。
我自己總結(jié)了一點(diǎn)，因?yàn)槲译x開(kāi)GS以后到了克萊斯勒工作了幾年，克萊斯勒一開(kāi)始能力有限，所以很多供應(yīng)商在賣(mài)BMS給我們，必須得告訴我們他的算法的原理怎么做的，雖然我沒(méi)有提到廠家的名字，但是我可以把方法總結(jié)出來(lái)。國(guó)外主流的供應(yīng)商，一般對(duì)BMS的估算都是從OCV開(kāi)始的，和國(guó)內(nèi)有本質(zhì)的區(qū)別，國(guó)內(nèi)幾乎全都是用積分。
國(guó)外怎么處理呢，用這個(gè)得到了總組化，沒(méi)有辦法把每個(gè)電阻、電容的變化計(jì)算出來(lái)，所以會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲覀冊(cè)谟?jì)算功率的時(shí)候，需要知道每一個(gè)值的變化，所以你知道總的值的變化，你不知道每一個(gè)等效電路里邊某一個(gè)值的變化，你無(wú)法準(zhǔn)確的估算出SOP。因?yàn)槭菍?shí)時(shí)估算SOC，所以是有一定的糾錯(cuò)能力的，如果你用電流積分的話是沒(méi)有糾錯(cuò)能力的，起點(diǎn)錯(cuò)了從頭錯(cuò)到尾。而且對(duì)于糾錯(cuò)能力來(lái)說(shuō)，電流積分還有很大的問(wèn)題，就是一旦電流測(cè)量錯(cuò)了也是沒(méi)有辦法糾正的。曾經(jīng)我們?cè)谖炙{(lán)達(dá)做完之后，GM做的第二輛車(chē)，用的是磷酸鐵鋰電池，是純EV，當(dāng)時(shí)供應(yīng)商把電池拿給我們了，他告訴我們說(shuō)他有兩套系統(tǒng)保證測(cè)量精度，我們問(wèn)他一個(gè)問(wèn)題，如果電池老化了怎么辦，他沒(méi)有辦法回答，所以這也是電動(dòng)汽車(chē)一個(gè)很大的問(wèn)題。對(duì)于OCD估算，國(guó)外廠家他的問(wèn)題在哪里呢？標(biāo)定工作量很大，他需要把所有的值標(biāo)定好，然后修正它，這個(gè)工作量比較大。因?yàn)椴荒芊从吵雒總€(gè)等效參數(shù)的變化，所以造成了SOP的估算就很大。比方2014年我們克萊斯勒有一輛車(chē)，2014年的時(shí)候底特律非常冷，大概零下20幾度，按照電池供應(yīng)商給我們的參數(shù)，在零下20度應(yīng)該能輸出50幾千瓦，但是我們用了供應(yīng)商的算法，他只能輸送20幾千瓦，所以我們找這個(gè)供應(yīng)商扯皮扯了很長(zhǎng)一段時(shí)間，這就是他的誤差。
SOH，國(guó)外一般可以做到10%。國(guó)內(nèi)一般兩個(gè)方法，一個(gè)就是算安時(shí)積分，或者就是找多項(xiàng)式，有兩個(gè)問(wèn)題，第一，你得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是哪兒來(lái)的？特定功耗的數(shù)據(jù)，不能反映出一個(gè)人開(kāi)的工況，因?yàn)槲覀冎离姵乩匣煌娜碎_(kāi)是不一樣的，盡管?chē)?guó)內(nèi)頭幾名的供應(yīng)商也告訴我們，他說(shuō)我們經(jīng)過(guò)國(guó)多項(xiàng)式可以準(zhǔn)確的估算出SOH的1%，其實(shí)這只是個(gè)別現(xiàn)象，大多數(shù)是估算不出來(lái)的。均衡，國(guó)外幾乎全部是無(wú)源的，我們也是無(wú)源的，為什么強(qiáng)調(diào)有源的呢？我回國(guó)的時(shí)候有人告訴我，你這個(gè)根本搞不下去的，我看了一下國(guó)內(nèi)做這個(gè)的概念不清楚、方法也錯(cuò)了，當(dāng)然就做不好了。
這是一般國(guó)內(nèi)計(jì)算SOC的方法，主要是安時(shí)積分，把電池模型加上去，溫度補(bǔ)償、工況補(bǔ)償、老化補(bǔ)償都往里面加，這個(gè)加的話，每一個(gè)都是有誤差的，所以最后誤差還是不少的。最后誤差可以達(dá)到多少呢？我這兒有一個(gè)例子，這是我們一個(gè)很復(fù)雜的工況，這個(gè)路況里邊，綠顏色的是電流，藍(lán)顏色的是安時(shí)積分，紅顏色的是我們估算出來(lái)的SOC，即使我們起點(diǎn)是對(duì)的，即使我們安時(shí)容量也是對(duì)的，我們現(xiàn)在采用100赫茲，當(dāng)電流變化不大的時(shí)候，這兩個(gè)幾乎是一樣的，當(dāng)電流變化一大，我們發(fā)現(xiàn)安時(shí)積分和我們實(shí)時(shí)估算的誤差可以相差18%。這個(gè)誤差哪兒來(lái)的呢？有的時(shí)候到底是你的錯(cuò)還是我的錯(cuò)，我說(shuō)我也不知道是你的錯(cuò)、還是我的錯(cuò)，但是我們有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們歇了一個(gè)小時(shí)停下來(lái)，通過(guò)OCP可以查到真正的SOC是52%，和我們的極為接近，我們大概是0.3%左右，既然我們是對(duì)的，我們安時(shí)積分就錯(cuò)了，一個(gè)很重要的原因就是他的采樣頻率不夠。
我們說(shuō)安時(shí)積分很不靠，它沒(méi)有糾錯(cuò)能力。有人說(shuō)我們?cè)趺春孟駴](méi)有見(jiàn)到過(guò)你說(shuō)的這么大誤差，實(shí)際上你到網(wǎng)上一查，有人說(shuō)我們過(guò)了收費(fèi)站，他說(shuō)一過(guò)收費(fèi)站SOC急劇下降，開(kāi)著開(kāi)著路上就停了，為什么出現(xiàn)這種情況呢？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)榘矔r(shí)積分當(dāng)電流大的時(shí)候你是無(wú)法糾正的，國(guó)內(nèi)一般是電流很小的時(shí)候，就是說(shuō)車(chē)速很慢的時(shí)候，甚至停下來(lái)的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候電流大概只有2、3安培，那個(gè)時(shí)候他認(rèn)為他的端電壓接近了，一查表那個(gè)時(shí)候一糾正，錯(cuò)了。
這也是一個(gè)例子，這是上海前兩個(gè)月在群里面發(fā)的，某大牛的BMS，國(guó)企的電池好像沒(méi)有幾家，然后說(shuō)SOC在上海路上從39%直接掉到這個(gè)上面去了，這也是一個(gè)例子，說(shuō)明安時(shí)積分的問(wèn)題，原因是一樣的。
我們還說(shuō)即使有些情況下，這也是個(gè)別情況，實(shí)際上當(dāng)安時(shí)積分出錯(cuò)的時(shí)候，根本也不知道時(shí)間。因?yàn)槲覀兊膰?guó)標(biāo)沒(méi)有給出在路上驗(yàn)證SOC的一個(gè)辦法。我們2011年總國(guó)標(biāo)，技術(shù)條件，這個(gè)國(guó)標(biāo)一共有13張紙，有7張紙用了驗(yàn)證，講怎么驗(yàn)證SOC，但是要仔細(xì)看國(guó)標(biāo)的話，你的BMS要達(dá)不到國(guó)標(biāo)，真是難于上青天。
這個(gè)國(guó)標(biāo)少什么東西呢？給了幾個(gè)工況，這兩個(gè)工況是最長(zhǎng)的，一個(gè)是90秒，一個(gè)是80秒，第一個(gè)國(guó)標(biāo)是直線，我們知道開(kāi)車(chē)的時(shí)候你拿不到直線，肯定是抖動(dòng)的，所以國(guó)標(biāo)的工況是用手畫(huà)的，不是一個(gè)真實(shí)的曲線、不是一個(gè)真實(shí)的工況。第二，最長(zhǎng)的90秒，國(guó)標(biāo)說(shuō)這個(gè)90秒連續(xù)運(yùn)行10次就是900秒，900秒是15分鐘，這個(gè)時(shí)間太短了，時(shí)間太短了也好說(shuō)，更要命的是，運(yùn)行15分鐘之后，電池的SOC變化9%點(diǎn)幾，不到10%，國(guó)標(biāo)中你只要SOC的誤差小于10%就可以過(guò)關(guān)，所以即使你的BMS破了SOC只保持不變，根本不需要?jiǎng)幽憔屯ㄟ^(guò)了國(guó)標(biāo)，所以國(guó)標(biāo)要想不過(guò)的話非常困難，除非你變動(dòng)方法和電流變化方向是相反的。我們知道不管是用什么方法，有一個(gè)最重要的東西就是OCV與SOC的關(guān)系曲線，即使用國(guó)標(biāo)法SOC也是通過(guò)OCV確定的，所以這個(gè)關(guān)系是非常重要的，但是國(guó)標(biāo)里面沒(méi)有講這個(gè)東西怎么做。
第二，我們講SOP，SOP國(guó)內(nèi)一般是靠查表，比如電壓低于某個(gè)值，電壓衰減多少，用的是一刀切，實(shí)際上他給出的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到電池所能給的值。我們看一下通用的沃藍(lán)達(dá)，在美國(guó)累計(jì)銷(xiāo)售10萬(wàn)輛，綜合行駛里成高達(dá)40億公里，目前為止沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一次事故，唯一一次做實(shí)驗(yàn)的起火，那個(gè)是不算的。他怎么做到電池跑累計(jì)40億公里不出事故呢，靠的是我們SOP。我們一講BMS，很多說(shuō)我們有一級(jí)防護(hù)、二級(jí)防護(hù)、三級(jí)防護(hù)，但是我們說(shuō)防護(hù)確確實(shí)實(shí)不可少的，是以防萬(wàn)一用的，但是正常情況下防護(hù)是不能夠被用上的，一旦被用上說(shuō)明你的算法錯(cuò)了，你就必須得改。所以保護(hù)電池靠的不是什么一級(jí)防護(hù)、二級(jí)防護(hù)，靠的是SOP，通過(guò)SOP來(lái)限制電池的充電功率和放電功率，來(lái)充分的發(fā)揮電池的能力，提高電池的能量回收，同時(shí)提高電池的加速性能。我們有時(shí)候經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口汽車(chē)跟我們的國(guó)產(chǎn)車(chē)差不多大，但是進(jìn)口車(chē)你一踩油門(mén)有一種感覺(jué)，國(guó)產(chǎn)車(chē)沒(méi)有這種感覺(jué)，因?yàn)檫M(jìn)口車(chē)可以精確的預(yù)測(cè)到我發(fā)動(dòng)機(jī)到底能夠輸出到多大功率，我就以最大的值往外輸，可是國(guó)產(chǎn)車(chē)不敢到這個(gè)值，就像我前面講的，很糟以前就把電壓給限制住了。
在某些會(huì)議上有些專(zhuān)家說(shuō)，我們?cè)诓煌闆r下電池內(nèi)阻是變化的，他們經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BMS采用固定不變的模型測(cè)試肯定是有問(wèn)題的，還有的說(shuō)在不同的工況下要用不同的模型。還是看這個(gè)例子，這個(gè)例子我們看白線框框講的圖，這個(gè)地方，黃顏色是我們估算的OCD，藍(lán)顏色是我們測(cè)量的，我們以最低點(diǎn)作為一個(gè)我們最低的限制電壓3.67V，我們計(jì)算功率，這個(gè)是2秒鐘的功率，這是10秒鐘的功率，這是30秒鐘的功率，我們可以看得出來(lái)，2秒鐘的功率差不多正好拿到的功率和我們預(yù)測(cè)的功率是一樣的，30秒的功率、10秒的功率一直都是這樣，這個(gè)整個(gè)時(shí)間是40秒。所以我們說(shuō)我們到底能夠拿到多少功率是靠SOP的精確估算拿到的，而不是靠簡(jiǎn)單的限制電壓拿到的。
之后再講一講SOH。這是我們做了一個(gè)40安時(shí)的電池，起點(diǎn)是40安時(shí)，經(jīng)過(guò)很多工況以后誤差幾乎不變，我們估算是在40安時(shí)左右，誤差是1.8%。我們假設(shè)不知道安時(shí)容量，我們從30安時(shí)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)同樣工況以后也能回到40安時(shí)。這個(gè)是從50安時(shí)開(kāi)始也回到了40安時(shí)，所以我們說(shuō)我們可以很精確的估算出電池的SOH。
最后講一個(gè)核心技術(shù)，到底我們的BMS核心技術(shù)應(yīng)該往哪個(gè)方向發(fā)展，需要一個(gè)好的模型，這個(gè)模型應(yīng)該能夠反映電池真實(shí)完整的動(dòng)態(tài)特性，而不應(yīng)該隨工況或者隨時(shí)間而變，不隨電池老化程度而變，一個(gè)好的算法應(yīng)該具有高精度、高魯棒性，而不是隨工況而變，隨時(shí)間而變，隨電池老化而變，必須涵蓋所有的可能性。一個(gè)好的算法，同時(shí)必須對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的估算。
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