電池管理系統(tǒng) （BMS） 是電動(dòng)汽車 （EV） 的大腦。BMS 旨在監(jiān)控電池組中的鋰離子 （Li-ion） 電池并調(diào)節(jié)高度可燃組件的電壓、電流和溫度。通過更好地了解電池的內(nèi)部狀態(tài)并適應(yīng)不同的駕駛條件，它可以確保 EV 電池的最佳性能以及其使用壽命、可靠性和安全性。

每個(gè)商用 BMS 都會(huì)收集大量數(shù)據(jù)。通常，它測量每個(gè)電池單元的電壓以及電池組的電壓和電流。有限數(shù)量的溫度傳感器（戰(zhàn)略性放置）繪制電池組的溫度分布圖。

馬瑞利（Marelli）產(chǎn)品管理總監(jiān)戴維德·卡瓦利埃（Davide Cavaliere）說，BMS的核心算法通過這些信號(hào)運(yùn)行，以提供相對(duì)粗略的電池狀況視圖，馬瑞利（Marelli）正在將最廣泛使用的電池實(shí)驗(yàn)室測試工具之一引入其最新的BMS。

Marelli 設(shè)計(jì)的 BMS 將于 2025 年推出，它將基于電化學(xué)阻抗譜 （EIS），該光譜被廣泛用作電池實(shí)驗(yàn)室的診斷工具。Cavaliere 表示，通過跟蹤阻抗的變化，下一代 BMS 可以更深入地了解電池組的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH）。然后，它可以利用這些見解來增加 EV 的續(xù)航里程并延長電池的使用壽命。

這家一級(jí)供應(yīng)商表示，BMS 使用 EIS 來評(píng)估電池老化或在惡劣條件下運(yùn)行時(shí)的退化率。阻抗是電池內(nèi)部狀態(tài)的主要指標(biāo)之一。電阻往往會(huì)隨著電池放電而增加，而電池隨著時(shí)間的推移而退化也會(huì)導(dǎo)致電阻上升。這些對(duì)電池老化的揭示對(duì)于計(jì)算電池的剩余使用壽命至關(guān)重要，而剩余使用壽命決定了其剩余經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

環(huán)境影響影響報(bào)告通常在電池研發(fā)過程中進(jìn)行，或者作為電動(dòng)汽車電池單元制造過程的一部分進(jìn)行。但十多年來，工程師們一直在努力將 EIS 直接集成到單元級(jí) BMS 中。問題是什么？復(fù)雜的硬件、軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本使其無法用于電動(dòng)汽車。馬瑞利表示，其基于 EIS 的 BMS 最終具有成本效益和可擴(kuò)展性，足以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

BMS：電動(dòng)汽車電池組的差異化制造者

BMS 在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著更關(guān)鍵的作用，特別是由于引擎蓋下高壓電池組越來越復(fù)雜，這可能占電動(dòng)汽車平均凈成本的 30% 至 40%?，F(xiàn)代 EV 電池組由成百上千個(gè)電化學(xué)電池組成，這些電池可以提供高功率密度，并且在必須更換之前可以使用數(shù)年。權(quán)衡是它們非常敏感。

馬瑞利由于 EV 電池組的設(shè)計(jì)、電池格式和化學(xué)成分多種多樣，因此每個(gè) BMS 都與電池組的特定架構(gòu)進(jìn)行了密切校準(zhǔn)。

每種電池在電池單元級(jí)別基于不同的化學(xué)成分，在電池組級(jí)別基于不同的結(jié)構(gòu)。最重要的是，電池單元的性能可能會(huì)因生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)或輕微偏差而受到影響。

這些 EV 電池還會(huì)對(duì)引擎蓋下的真實(shí)條件做出反應(yīng)——使用過程中的電氣變化會(huì)導(dǎo)致充電過早終止、物理退化和災(zāi)難性故障。此外，它們?nèi)菀资艿秸駝?dòng)和壓力以及熱、冷和任何其他惡劣環(huán)境條件的影響。

BMS 的主要職責(zé)之一也是其最具挑戰(zhàn)性的：狀態(tài)估計(jì)。BMS 使用電壓、電流和內(nèi)阻等參數(shù)來間接估計(jì) SOC（反映電池剩余電量）和 SOH（通過比較電池的當(dāng)前容量和原始容量來量化電池的內(nèi)部狀況）。BMS 還負(fù)責(zé)電池單元的均勻充電和放電。電池平衡有助于最大限度地提高 EV 的電池性能和使用壽命。

此外，BMS 負(fù)責(zé)安全監(jiān)控。該裝置持續(xù)監(jiān)測電池和電池組級(jí)別的溫度、電壓和電流，以防止因過度充電或充電不足而造成的損壞。它還可以防止短路或其他故障（包括熱失控）造成的危險(xiǎn)。

BMS 還可以校正電池內(nèi)部的溫度波動(dòng)，確保其保持在最佳溫度。暴露在極熱和極冷的環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致電池的性能和使用壽命出現(xiàn)很大差異。

BMS 的另一個(gè)作用歸結(jié)為數(shù)據(jù)通信。它將有關(guān)電池的信息發(fā)送到駕駛員和其他系統(tǒng)，包括牽引逆變器、車載充電器 （OBC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

BMS 的核心是微控制器 （MCU），它使用它在電池和電池組級(jí)別學(xué)到的所有內(nèi)容來計(jì)算電池組的內(nèi)部狀態(tài)。通過密切關(guān)注情況，它可以調(diào)整充電和放電以充分利用電池。電池管理 IC 的任務(wù)是電池級(jí)電壓監(jiān)控，而電流傳感器、隔離監(jiān)視器、高壓接觸器和熱熔器則用于在遇到危險(xiǎn)時(shí)將電池組與電動(dòng)汽車的其余部分物理斷開。

雖然許多公司都在引入 AI，但 MCU 內(nèi)部運(yùn)行的算法主要基于“電池模型”，這些模型源于研發(fā)中的嚴(yán)格測試。這些依賴于高精度的電池電壓測量來估計(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)。磷酸鐵鋰 （LFP） 電池的精度更大，由于電壓曲線平坦，這可能會(huì)給狀態(tài)估計(jì)帶來挑戰(zhàn)。即使是細(xì)胞級(jí)監(jiān)測中的微小偏差也可能導(dǎo)致較大的預(yù)測誤差。

電動(dòng)汽車電池測試：現(xiàn)代 BMS 的隱藏秘密

正如電動(dòng)汽車技術(shù)的領(lǐng)先顧問 Veronika Wright 所指出的那樣，電池管理不存在“一刀切”的解決方案。每個(gè)電池組都是電氣、化學(xué)和機(jī)械特性的非常復(fù)雜的相互作用。

確保電池組在不同駕駛條件和不可預(yù)測的使用模式下保持多年的最佳性能和安全性并非易事，構(gòu)建能夠適應(yīng)這些和道路上所有其他變量的 BMS 也并非易事。BMS 還必須根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。

馬瑞利圖中顯示了電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 如何分析電池單元。

為了了解單個(gè)電池單元和電池組設(shè)計(jì)的獨(dú)特輪廓，電池在各種條件下經(jīng)過多年的嚴(yán)格測試。這往往涉及電池的重復(fù)充電和放電——也稱為循環(huán)。通過分析電流和電壓的波動(dòng)，研究人員可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測電池在無法再容納足夠電量供電動(dòng)汽車使用之前將承受多長時(shí)間的模式。

Wright 說，這些海量數(shù)據(jù)是電池模型的基礎(chǔ)，電池模型是傳統(tǒng) BMS 算法的支柱。這些模型還得到了龐大數(shù)據(jù)庫的支持，這些數(shù)據(jù)庫將電池的不同參數(shù)相關(guān)聯(lián)。例如，開路電壓 （OCV） 在很寬的溫度范圍內(nèi)（通常為 ?20 至 60°C）連接到電池的 SOC。 其他特性，例如對(duì)降解率和自放電率的預(yù)測也可以被納入其中。

EIS 是使用最廣泛的診斷工具之一。它測量電池單元的阻抗（交流電阻）。通過向電池施加少量交流電并測量寬頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)，EIS 映射阻抗譜。這揭示了電池組內(nèi)部電化學(xué)過程的微小細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)是其他類型的評(píng)估所看不到的，特別是對(duì)電池壽命和性能的任何負(fù)面影響。

EIS 的重要指標(biāo)是頻率范圍，這對(duì)于捕獲電池內(nèi)部的所有電化學(xué)過程至關(guān)重要。這些反應(yīng)以不同的速度發(fā)生，通常以較低的頻率觀察到離子擴(kuò)散等緩慢反應(yīng)，其中鋰離子在電池內(nèi)部的陽極和陰極之間移動(dòng)。這些斑點(diǎn)從電池結(jié)構(gòu)的一側(cè)物理移動(dòng)到另一側(cè)是產(chǎn)生電流的原因，而電池中的阻抗阻礙了這種移動(dòng)。

相比之下，電荷轉(zhuǎn)移等快速反應(yīng)（發(fā)生在電極和分隔電池兩側(cè)的電解液之間的絕緣界面的基本過程）需要高頻測量。大多數(shù)商用測試設(shè)備可以覆蓋 1 Hz 以下到 1 MHz 的頻率。高頻測量用于突出電池內(nèi)部金屬導(dǎo)體和電極表面發(fā)生的情況，而較低頻率則捕獲其他現(xiàn)象。

馬瑞利Marelli 如何將 EIS 直接集成到 BMS 中以進(jìn)行細(xì)胞級(jí)監(jiān)測。

任何給定頻率下的阻抗值都是電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的唯一特征，而不會(huì)將其切開或損壞。EIS 還有助于預(yù)測電池的退化率，并查明影響質(zhì)量和安全的缺陷和其他缺陷。例如，導(dǎo)致鋰金屬電鍍的基礎(chǔ)過程是非常不可取的。但 EIS 可以預(yù)測其風(fēng)險(xiǎn)。

EIS 和其他電氣測試由更嚴(yán)格的物理測試補(bǔ)充，在這些測試中，公司對(duì)電池進(jìn)行敲打、加熱并在電池上打孔，以查看如何使它們發(fā)生故障。

將 Battery Lab 的優(yōu)勢引入 EV

使用 EIS 測量 EV 內(nèi)部的阻抗并非易事。但 Marelli 和其他公司正試圖通過構(gòu)建基于 EIS 特性的電池模型并將 EIS 直接引入電池級(jí) BMS 來克服這些困難。Cavaliere 說，主要障礙是成本。雖然建立電池實(shí)驗(yàn)室的公司可以投資購買高質(zhì)量的 EIS 測試設(shè)備，但問題是為 EV 帶來相同的性能，并將其保持在商業(yè)上可行的 BMS 的限制范圍內(nèi)。

Marelli 稱其當(dāng)前一代電池管理系統(tǒng)“支持 EIS”，該公司表示，它在測量低頻范圍內(nèi)阻抗的能力方面取得了幾項(xiàng)重大改進(jìn)。

為了進(jìn)行 EIS，Marelli 設(shè)計(jì)的 BMS 解決方案使用電動(dòng)汽車中已有的控制器（例如 OBC 或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器）將交流電壓施加到電池組，從而實(shí)現(xiàn)電池組級(jí)激勵(lì)。正如 Cavaliere 解釋的那樣，BMS 首先測量電池電壓、電池組電壓和電池組電流的時(shí)域信號(hào)。然后，它在頻域中運(yùn)行快速傅里葉變換 （FFT） 分析，以計(jì)算出電池單元和整個(gè)電池組在不同頻率下的阻抗。

在底層硬件方面，BMS 依賴于高精度電池監(jiān)控 IC，這些 IC 可以高精度和高頻地對(duì)電池單元的電壓和電流進(jìn)行采樣，同時(shí)同步電流-電壓采集。MCU 具有高時(shí)鐘頻率和快速采樣率來運(yùn)行 FFT，這是在電池監(jiān)控 IC 發(fā)送有關(guān)電池電壓、電池組電壓和電池組電流的原始數(shù)據(jù)后發(fā)生的。

“完整 EIS”解決方案在 2025 年晚些時(shí)候推出時(shí)將能夠處理更高頻率的測量，從而更全面地描述電池的內(nèi)部狀況。Cavaliere 說，這將改進(jìn)對(duì)電池 SOC 和 SOH 及其內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)預(yù)測。

在 EIS 就緒解決方案中，由于 MCU 和電池監(jiān)控 IC 之間的菊花鏈通信協(xié)議受到限制，MCU 每 1 到 10 毫秒對(duì)電池單元和較大電池組的電壓和電流進(jìn)行采樣。這將 EIS 的最大頻率限制為大約 10 Hz，這明顯低于 EV 電池實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。

馬瑞利當(dāng)前 BMS 與未來“完整 EIS”解決方案的主要區(qū)別在于 MCU 運(yùn)行 FFT，限制了測量的頻率范圍。

Marelli 表示，計(jì)劃升級(jí)電池監(jiān)控 IC 以直接運(yùn)行 FFT，將頻率范圍增加到 1 kHz 以上，這將允許更準(zhǔn)確地測量 SOC 和 SOH 以及溫度?！巴ㄟ^直接在 BMIC 上執(zhí)行 FFT，菊花鏈通信通道不再是瓶頸，因此可以測量更高的頻率，”Cavaliere 說。

Cavaliere 說，基于 EIS 的 BMS 還可以密切關(guān)注電池組內(nèi)部的熱情況。他說，隨著電池組內(nèi)部溫度的升高，由于電解液中的電阻較低，阻抗會(huì)下降，這會(huì)影響電池單元中電荷轉(zhuǎn)移和其他電化學(xué)反應(yīng)的速率。多虧了這一點(diǎn)，基于 EIS 的 BMS 可以潛在地檢測到過熱甚至熱失控的開始。

“測量高頻阻抗對(duì)于評(píng)估電池的電阻分量很重要，”Cavaliere 說。“這種電阻在很大程度上取決于電池的內(nèi)部溫度。因此，[通過] 測量電阻，可以估計(jì)電池在運(yùn)行期間的內(nèi)部溫度。這些信息在快速充電期間尤為重要，可以限制過熱造成的損壞。

將 EIS 引入 EV 的挑戰(zhàn)之一是為測量創(chuàng)造“刺激”。雖然它在測量頻率響應(yīng)之前使用 EV 中存在的其他控制器將交流電饋入電池，但 BMS 必須非常嚴(yán)格地控制進(jìn)入其中的交流電量。

Cavaliere 解釋說：“重要的是，電流激勵(lì)是可重復(fù)的，幅度不能太高，以避免非線性問題，但幅度不能太小，以便產(chǎn)生足夠的信號(hào)，可以通過噪聲來區(qū)分。

在相關(guān)說明中，他表示，當(dāng)電動(dòng)汽車沒有快速充電或放電時(shí)（例如，當(dāng)電動(dòng)汽車停放或緩慢充電時(shí)），測量電池單元和較大電池組的阻抗更有意義。

BMS：更持久的 EV 電池的秘訣？

如今，世界上最大的電池制造商和汽車公司正在努力開發(fā)新材料、新化學(xué)物質(zhì)或其他調(diào)整，以制造具有更大存儲(chǔ)容量、更快充電速度或比目前使用的電池更安全的電池。但這些技術(shù)飛躍往往具有廣泛的研發(fā)階段，或者需要嚴(yán)格的測試。在性能或成本方面也往往需要權(quán)衡取舍。

馬瑞利EIS 是 Marelli 電池管理路線圖上的眾多創(chuàng)新之一。

但 IDTechEx 的電動(dòng)汽車電池技術(shù)分析師 Alex Holland 表示，BMS 內(nèi)部的創(chuàng)新提供了一條同時(shí)提高多個(gè)性能指標(biāo)的途徑，這對(duì)于鋰離子電池化學(xué)來說是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

例如，Holland 說，通過跟蹤電池中每個(gè)電池的內(nèi)部狀態(tài)，可以縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間。如果 EV 在充電過程中檢測到鋰鍍層的開始，BMS 可以降低充電電流以降低風(fēng)險(xiǎn)，一旦風(fēng)險(xiǎn)降低，再增加電流。他說，通過提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)，BMS 可以提高充電速率而不會(huì)增加退化。

EIS 只是進(jìn)入 BMS 的幾種新技術(shù)之一。例如，Marelli 表示，它計(jì)劃在幾年內(nèi)推出無線電池監(jiān)測、主動(dòng)平衡和非接觸式電流傳感器。Cavaliere 補(bǔ)充說，它還計(jì)劃將 AI 算法本地集成到 BMS 以及云中，以更準(zhǔn)確地捕獲 SOC 和 SOH，并在更長的時(shí)間內(nèi)跟蹤這些指標(biāo)。

Marelli Propulsion Solutions 首席技術(shù)官 Giovanni Mastrangelo 表示，EIS 和 AI 的集成將通過“提高 [EV] 電池管理的安全性、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)”，為汽車公司帶來技術(shù)優(yōu)勢。