動力電池管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢
圖為江西百思特銳動力有限公司首席技術(shù)官、國家千人計劃特聘專家林健發(fā)表演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動力電池行業(yè)運行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動力及儲能電池的開發(fā)應(yīng)用，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(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年第五屆中國電池市場年會暨2016年第一屆動力電池應(yīng)用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會聚集了來自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機(jī)構(gòu)專家、新能源汽車動力電池產(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。
在本次會議上，江西百思特銳動力有限公司首席技術(shù)官、國家千人計劃特聘專家林健博士做了題為《動力電池管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢》的專題報告，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：秘書長當(dāng)時給了我這么一個題目，覺得這個題目還是比較大的，如果仔細(xì)講要講很長時間，因為時間有限，所以可能很多地方要跳過去。
這個是我講的提綱，主要講BMS是做什么的，BMS的核心技術(shù)是什么？國外一般怎么做的？沒有辦法覆蓋所有的，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，所有的專家基本上講BMS的時候一般都會講到說BMS是保護(hù)電池、延長電池壽命，但是幾乎沒有人講是要充分發(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。
一個完整的BMS包括哪些東西呢？能夠精確的估算出SOC、SOP、SOH，有效的動力均衡控制策略，容錯、糾錯機(jī)制，基于安全的跛性模型。主要的方法已經(jīng)轉(zhuǎn)到了用主動均衡，我們至今為止，德國我不知道，日本也不知道，但是美國沒有一家用主動均衡，原因我們等一下再談。對于BMS來說，最重要是哪一部分，就是它的上升的應(yīng)用軟件，具體來說就是估算策略。
我自己總結(jié)了一點，因為我離開GS以后到了克萊斯勒工作了幾年，克萊斯勒一開始能力有限，所以很多供應(yīng)商在賣BMS給我們，必須得告訴我們他的算法的原理怎么做的，雖然我沒有提到廠家的名字，但是我可以把方法總結(jié)出來。國外主流的供應(yīng)商，一般對BMS的估算都是從OCV開始的，和國內(nèi)有本質(zhì)的區(qū)別，國內(nèi)幾乎全都是用積分。
國外怎么處理呢，用這個得到了總組化，沒有辦法把每個電阻、電容的變化計算出來，所以會造成一個問題，因為我們在計算功率的時候，需要知道每一個值的變化，所以你知道總的值的變化，你不知道每一個等效電路里邊某一個值的變化，你無法準(zhǔn)確的估算出SOP。因為是實時估算SOC，所以是有一定的糾錯能力的，如果你用電流積分的話是沒有糾錯能力的，起點錯了從頭錯到尾。而且對于糾錯能力來說，電流積分還有很大的問題，就是一旦電流測量錯了也是沒有辦法糾正的。曾經(jīng)我們在沃藍(lán)達(dá)做完之后，GM做的第二輛車，用的是磷酸鐵鋰電池，是純EV，當(dāng)時供應(yīng)商把電池拿給我們了，他告訴我們說他有兩套系統(tǒng)保證測量精度，我們問他一個問題，如果電池老化了怎么辦，他沒有辦法回答，所以這也是電動汽車一個很大的問題。對于OCD估算，國外廠家他的問題在哪里呢？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，這個工作量比較大。因為不能反映出每個等效參數(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，2014年的時候底特律非常冷，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，所以我們找這個供應(yīng)商扯皮扯了很長一段時間，這就是他的誤差。
SOH，國外一般可以做到10%。國內(nèi)一般兩個方法，一個就是算安時積分，或者就是找多項式，有兩個問題，第一，你得到實驗數(shù)據(jù)，做這個實驗數(shù)據(jù)是哪兒來的？特定功耗的數(shù)據(jù)，不能反映出一個人開的工況，因為我們知道電池老化不同的人開是不一樣的，盡管國內(nèi)頭幾名的供應(yīng)商也告訴我們，他說我們經(jīng)過國多項式可以準(zhǔn)確的估算出SOH的1%，其實這只是個別現(xiàn)象，大多數(shù)是估算不出來的。均衡，國外幾乎全部是無源的，我們也是無源的，為什么強(qiáng)調(diào)有源的呢？我回國的時候有人告訴我，你這個根本搞不下去的，我看了一下國內(nèi)做這個的概念不清楚、方法也錯了，當(dāng)然就做不好了。
這是一般國內(nèi)計算SOC的方法，主要是安時積分，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，這個加的話，每一個都是有誤差的，所以最后誤差還是不少的。最后誤差可以達(dá)到多少呢？我這兒有一個例子，這是我們一個很復(fù)雜的工況，這個路況里邊，綠顏色的是電流，藍(lán)顏色的是安時積分，紅顏色的是我們估算出來的SOC，即使我們起點是對的，即使我們安時容量也是對的，我們現(xiàn)在采用100赫茲，當(dāng)電流變化不大的時候，這兩個幾乎是一樣的，當(dāng)電流變化一大，我們發(fā)現(xiàn)安時積分和我們實時估算的誤差可以相差18%。這個誤差哪兒來的呢？有的時候到底是你的錯還是我的錯，我說我也不知道是你的錯、還是我的錯，但是我們有一個標(biāo)準(zhǔn)，我們歇了一個小時停下來，通過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，既然我們是對的，我們安時積分就錯了，一個很重要的原因就是他的采樣頻率不夠。
我們說安時積分很不靠，它沒有糾錯能力。有人說我們怎么好像沒有見到過你說的這么大誤差，實際上你到網(wǎng)上一查，有人說我們過了收費站，他說一過收費站SOC急劇下降，開著開著路上就停了，為什么出現(xiàn)這種情況呢？原因很簡單，因為安時積分當(dāng)電流大的時候你是無法糾正的，國內(nèi)一般是電流很小的時候，就是說車速很慢的時候，甚至停下來的時候，那個時候電流大概只有2、3安培，那個時候他認(rèn)為他的端電壓接近了，一查表那個時候一糾正，錯了。
這也是一個例子，這是上海前兩個月在群里面發(fā)的，某大牛的BMS，國企的電池好像沒有幾家，然后說SOC在上海路上從39%直接掉到這個上面去了，這也是一個例子，說明安時積分的問題，原因是一樣的。
我們還說即使有些情況下，這也是個別情況，實際上當(dāng)安時積分出錯的時候，根本也不知道時間。因為我們的國標(biāo)沒有給出在路上驗證SOC的一個辦法。我們2011年總國標(biāo)，技術(shù)條件，這個國標(biāo)一共有13張紙，有7張紙用了驗證，講怎么驗證SOC，但是要仔細(xì)看國標(biāo)的話，你的BMS要達(dá)不到國標(biāo)，真是難于上青天。
這個國標(biāo)少什么東西呢？給了幾個工況，這兩個工況是最長的，一個是90秒，一個是80秒，第一個國標(biāo)是直線，我們知道開車的時候你拿不到直線，肯定是抖動的，所以國標(biāo)的工況是用手畫的，不是一個真實的曲線、不是一個真實的工況。第二，最長的90秒，國標(biāo)說這個90秒連續(xù)運行10次就是900秒，900秒是15分鐘，這個時間太短了，時間太短了也好說，更要命的是，運行15分鐘之后，電池的SOC變化9%點幾，不到10%，國標(biāo)中你只要SOC的誤差小于10%就可以過關(guān)，所以即使你的BMS破了SOC只保持不變，根本不需要動你就通過了國標(biāo)，所以國標(biāo)要想不過的話非常困難，除非你變動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，有一個最重要的東西就是OCV與SOC的關(guān)系曲線，即使用國標(biāo)法SOC也是通過OCV確定的，所以這個關(guān)系是非常重要的，但是國標(biāo)里面沒有講這個東西怎么做。
第二，我們講SOP，SOP國內(nèi)一般是靠查表，比如電壓低于某個值，電壓衰減多少，用的是一刀切，實際上他給出的值遠(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)，在美國累計銷售10萬輛，綜合行駛里成高達(dá)40億公里，目前為止沒有出現(xiàn)過一次事故，唯一一次做實驗的起火，那個是不算的。他怎么做到電池跑累計40億公里不出事故呢，靠的是我們SOP。我們一講BMS，很多說我們有一級防護(hù)、二級防護(hù)、三級防護(hù)，但是我們說防護(hù)確確實實不可少的，是以防萬一用的，但是正常情況下防護(hù)是不能夠被用上的，一旦被用上說明你的算法錯了，你就必須得改。所以保護(hù)電池靠的不是什么一級防護(hù)、二級防護(hù)，靠的是SOP，通過SOP來限制電池的充電功率和放電功率，來充分的發(fā)揮電池的能力，提高電池的能量回收，同時提高電池的加速性能。我們有時候經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口汽車跟我們的國產(chǎn)車差不多大，但是進(jìn)口車你一踩油門有一種感覺，國產(chǎn)車沒有這種感覺，因為進(jìn)口車可以精確的預(yù)測到我發(fā)動機(jī)到底能夠輸出到多大功率，我就以最大的值往外輸，可是國產(chǎn)車不敢到這個值，就像我前面講的，很糟以前就把電壓給限制住了。
在某些會議上有些專家說，我們在不同情況下電池內(nèi)阻是變化的，他們經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，BMS采用固定不變的模型測試肯定是有問題的，還有的說在不同的工況下要用不同的模型。還是看這個例子，這個例子我們看白線框框講的圖，這個地方，黃顏色是我們估算的OCD，藍(lán)顏色是我們測量的，我們以最低點作為一個我們最低的限制電壓3.67V，我們計算功率，這個是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，2秒鐘的功率差不多正好拿到的功率和我們預(yù)測的功率是一樣的，30秒的功率、10秒的功率一直都是這樣，這個整個時間是40秒。所以我們說我們到底能夠拿到多少功率是靠SOP的精確估算拿到的，而不是靠簡單的限制電壓拿到的。
之后再講一講SOH。這是我們做了一個40安時的電池，起點是40安時，經(jīng)過很多工況以后誤差幾乎不變，我們估算是在40安時左右，誤差是1.8%。我們假設(shè)不知道安時容量，我們從30安時開始，經(jīng)過同樣工況以后也能回到40安時。這個是從50安時開始也回到了40安時，所以我們說我們可以很精確的估算出電池的SOH。
最后講一個核心技術(shù)，到底我們的BMS核心技術(shù)應(yīng)該往哪個方向發(fā)展，需要一個好的模型，這個模型應(yīng)該能夠反映電池真實完整的動態(tài)特性，而不應(yīng)該隨工況或者隨時間而變，不隨電池老化程度而變，一個好的算法應(yīng)該具有高精度、高魯棒性，而不是隨工況而變，隨時間而變，隨電池老化而變，必須涵蓋所有的可能性。一個好的算法，同時必須對電池的狀態(tài)進(jìn)行實時在線的估算。
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