隨著全球?qū)沙掷m(xù)交通的需求日益增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)(EV)作為減少碳排放、緩解能源危機(jī)的重要解決方案，其市場(chǎng)份額正逐步擴(kuò)大。然而，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛普及，面臨諸多挑戰(zhàn)，其中電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的性能至關(guān)重要。BMS 作為電動(dòng)汽車(chē)的核心組件之一，不僅保護(hù)電池免受損壞，還通過(guò)智能算法延長(zhǎng)電池壽命，預(yù)測(cè)電池剩余壽命并維持電池正常運(yùn)行狀態(tài)，其創(chuàng)新對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)采用率具有不可忽視的推動(dòng)作用。

二、BMS 的架構(gòu)與工作原理

(一)主要子系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，BMS 具有模塊化結(jié)構(gòu)，通常包括電芯監(jiān)控單元(CSU)、電池控制單元(BCU)和電池?cái)噙B單元(BDU)三個(gè)主要子系統(tǒng)。CSU 負(fù)責(zé)檢測(cè)每個(gè)電芯的電壓和溫度，收集所有電池電芯的參數(shù)信息，并執(zhí)行電芯均衡以補(bǔ)償電池電芯之間的不一致性。BCU 則整合來(lái)自 CSU 的參數(shù)，檢測(cè)電池包的電壓和電流，負(fù)責(zé)電池包管理，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)分配電池的充放電方式，計(jì)算荷電狀態(tài)、功率狀態(tài)和運(yùn)行狀況，執(zhí)行智能保護(hù)控制和絕緣監(jiān)測(cè)等功能。BDU 主要負(fù)責(zé)在必要時(shí)切斷電池與外部電路的連接，保障安全。

(二)工作流程

在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，CSU 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳輸給 BCU。BCU 根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷電池的整體狀況，進(jìn)而調(diào)整充電和放電策略。例如，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)電芯電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，CSU 會(huì)進(jìn)行電芯均衡操作，而 BCU 則可能調(diào)整充電電流或停止充電，以避免電池過(guò)充或過(guò)放。在發(fā)生碰撞或短路等異常情況時(shí)，BDU 迅速切斷電路，防止電池進(jìn)一步損壞和安全事故的發(fā)生。信息通過(guò)控制器局域網(wǎng)(CAN)通信傳輸?shù)狡?chē)控制單元或電子控制單元，實(shí)現(xiàn)整車(chē)對(duì)電池狀態(tài)的監(jiān)控和管理。

三、BMS 創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域

(一)電池化學(xué)物質(zhì)的優(yōu)化

NMC 與 LFP 的發(fā)展：目前，鎳錳鈷(NMC)三元鋰電池因其出色的能量密度，在電動(dòng)汽車(chē)中廣泛應(yīng)用，直接影響著續(xù)航里程。但近年來(lái)，鎳和鈷需求激增帶來(lái)市場(chǎng)動(dòng)蕩。相比之下，磷酸鐵鋰(LFP)電池不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素，成本更低，生命周期長(zhǎng)，穩(wěn)定性高且不易起火，安全性?xún)?yōu)勢(shì)明顯。盡管 LFP 能量密度較低，但其在大容量汽車(chē)領(lǐng)域，如公交、物流車(chē)等，憑借經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性和安全性，逐漸嶄露頭角。并且，LFP 需要十分精確的電池監(jiān)測(cè)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)其平緩的放電曲線(xiàn)。

固態(tài)電池的潛力：多家汽車(chē)制造商積極開(kāi)展固態(tài)電池研究。固態(tài)電池具有更高的能量密度、可靠性和抗老化特性，充電速度顯著加快，安全性更是大幅提升，有效限制了液態(tài)電解液在高溫下易燃帶來(lái)的火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的突破和成本的降低，固態(tài)電池有望成為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的主流選擇。

(二)無(wú)線(xiàn) BMS 技術(shù)

組裝與生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)部署 BMS 主要依靠導(dǎo)線(xiàn)，雖能滿(mǎn)足汽車(chē)安全完整性等級(jí) D(ASIL D)合規(guī)性，但存在電纜故障、保修維修和電池電芯更換成本高昂等問(wèn)題。無(wú)線(xiàn) BMS 簡(jiǎn)化了電池包組裝和生產(chǎn)過(guò)程，生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)人員無(wú)需將電纜插入每個(gè)電池模塊，就能組裝電池包并獲取即時(shí)讀數(shù)，大大節(jié)省成本并提高生產(chǎn)效率。

減少故障與減輕重量：電纜線(xiàn)束和連接器是電池包故障的主要原因之一，無(wú)線(xiàn) BMS 減少了低壓布線(xiàn)，降低了電池包故障概率，減少原始設(shè)備制造商(OEM)的保修索賠風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，無(wú)線(xiàn) BMS 有助于減輕車(chē)輛重量，且增加了電池包內(nèi)空間，使電池制造商或 OEM 可添加更多電池電芯，增加電芯節(jié)數(shù)和減輕重量雙管齊下，有效延長(zhǎng)續(xù)航里程。此外，無(wú)線(xiàn) BMS 通過(guò)固有隔離節(jié)省元件成本，無(wú)需變壓器、電容器或共模扼流圈即可實(shí)現(xiàn)隔離。

(三)電池容量和運(yùn)行狀況的高級(jí)估算

影響電池容量的因素：電池剩余電量的準(zhǔn)確估算直接關(guān)系到剩余續(xù)航里程。電池電芯制造商提供的額定容量會(huì)隨時(shí)間變化，溫度升高、循環(huán)使用、放電模式深度和老化等都是導(dǎo)致電池容量衰減的重要因素。因此，持續(xù)準(zhǔn)確估算電池容量對(duì)精確估算荷電狀態(tài)至關(guān)重要。

CSU 的關(guān)鍵作用：電芯監(jiān)控單元(CSU)在電池包內(nèi)緊密運(yùn)行，連接電芯監(jiān)測(cè)器器件布線(xiàn)線(xiàn)束，確保高效回傳重要電池包數(shù)據(jù)。通過(guò) CSU 輸出的診斷數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行狀況和荷電狀態(tài)估算，直接影響系統(tǒng)安全目標(biāo)。高精度監(jiān)測(cè)器配合算法，為駕駛員提供精確估算，充分發(fā)揮每次充電效用。特別是隨著 LFP 電池的興起，其平穩(wěn)放電曲線(xiàn)要求更精確的電芯電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，德州儀器(TI)的相關(guān)可堆疊電池監(jiān)測(cè)器和電芯平衡器，能提供高精度測(cè)量和被動(dòng)電芯均衡功能，助力更精確的運(yùn)行狀況和荷電狀態(tài)計(jì)算。

(四)智能電池接線(xiàn)盒(BJB)架構(gòu)

架構(gòu)轉(zhuǎn)變：器件創(chuàng)新推動(dòng) BMS 架構(gòu)向智能電池接線(xiàn)盒(BJB)轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng) BJB 僅含機(jī)械部件，而智能 BJB 引入有源硅器件，執(zhí)行高壓監(jiān)測(cè)、電流檢測(cè)和絕緣檢測(cè)等功能，這些功能傳統(tǒng)上由 BCU 執(zhí)行。

優(yōu)勢(shì)顯著：智能 BJB 架構(gòu)明確區(qū)分高壓域和低壓域，所有高壓信號(hào)在 BJB 中直接測(cè)量，使 BCU 成為純粹的低壓設(shè)計(jì)。電池包監(jiān)測(cè)器采用專(zhuān)有菊花鏈接口，支持分立式電容器隔離，無(wú)需昂貴的數(shù)字隔離器器件，菊花鏈通信還省去收發(fā)器等元件及額外 MCU，降低成本。將電池包監(jiān)測(cè)器置于 BJB 中或周?chē)闪⒓丛L(fǎng)問(wèn)高壓信號(hào)，減少長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)連接回 BCU 的需求，提高系統(tǒng)效率和可靠性。

四、BMS 創(chuàng)新對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)采用率的影響

(一)提升性能與續(xù)航

通過(guò)優(yōu)化電池化學(xué)物質(zhì)、采用無(wú)線(xiàn) BMS 技術(shù)和更精準(zhǔn)的電池容量估算，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程得到顯著提升。以搭載先進(jìn) BMS 的理想汽車(chē)為例，其即將推出的車(chē)型搭載寧德時(shí)代 5C 麒麟電池組，能量密度高達(dá) 170Wh/kg，僅需 11 分鐘就能完成 500 公里續(xù)航充電，大大緩解了用戶(hù)的 “里程焦慮”。高性能的 BMS 確保電池在不同工況下都能穩(wěn)定高效輸出能量，提升電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能和駕駛體驗(yàn)，使電動(dòng)汽車(chē)在與傳統(tǒng)燃油車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì)，吸引更多消費(fèi)者選擇電動(dòng)汽車(chē)。

(二)降低成本

從電池成本角度，LFP 電池等低成本化學(xué)物質(zhì)的應(yīng)用以及無(wú)線(xiàn) BMS 減少布線(xiàn)成本等創(chuàng)新，降低了電動(dòng)汽車(chē)的制造成本。在使用成本方面，精準(zhǔn)的電池管理延長(zhǎng)了電池壽命，減少了電池更換頻率，降低了用戶(hù)的使用成本。例如，中車(chē)電動(dòng)通過(guò)自研電池管理技術(shù)，提供電池全生命周期解決方案，降低了公交公司的運(yùn)營(yíng)成本。成本的降低使得電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大了目標(biāo)消費(fèi)群體，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的普及。

(三)增強(qiáng)安全性

BMS 的智能保護(hù)控制、絕緣監(jiān)測(cè)以及固態(tài)電池等新技術(shù)應(yīng)用，極大增強(qiáng)了電動(dòng)汽車(chē)的安全性。在發(fā)生異常情況時(shí)，BMS 能迅速響應(yīng)，切斷電路，防止電池?zé)崾Э氐任ｋU(xiǎn)情況發(fā)生。如特斯拉等品牌，通過(guò)不斷升級(jí) BMS 的安全功能，提升了消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全性的信心。安全性的提升消除了消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全隱患的擔(dān)憂(yōu)，是提高電動(dòng)汽車(chē)采用率的重要保障。

(四)適應(yīng)多樣化需求

不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的性能和功能需求各異。BMS 創(chuàng)新使得電動(dòng)汽車(chē)能夠更好地適應(yīng)這些多樣化需求。在公交、物流等領(lǐng)域，LFP 電池配合高效 BMS，滿(mǎn)足了車(chē)輛對(duì)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求;而在高端乘用車(chē)領(lǐng)域，高能量密度電池和先進(jìn) BMS 則提供了長(zhǎng)續(xù)航和高性能。例如，中車(chē)電動(dòng)針對(duì)旅游市場(chǎng)推出的客車(chē)，通過(guò)優(yōu)化 BMS 滿(mǎn)足了車(chē)輛在不同運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下的需求。多樣化的解決方案拓寬了電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)其在各個(gè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

五、結(jié)論

電池管理系統(tǒng)的創(chuàng)新在提高電動(dòng)汽車(chē)采用率方面發(fā)揮著核心作用。通過(guò)在電池化學(xué)物質(zhì)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)、電池狀態(tài)估算和架構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的創(chuàng)新，BMS 有效提升了電動(dòng)汽車(chē)的性能、降低了成本、增強(qiáng)了安全性，并滿(mǎn)足了多樣化的市場(chǎng)需求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的持續(xù)推進(jìn)，BMS 將進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的整體表現(xiàn)，使其在全球交通轉(zhuǎn)型中扮演更為重要的角色，加速實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通的目標(biāo)，讓電動(dòng)汽車(chē)真正成為未來(lái)出行的主流選擇。