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【盖世直播】刘志茹:电动汽车电池管理系统关键技术

2017-04-20 19:54:40 盖世汽车
核心提示:“2017第九届全球汽车产业峰会”现场直播!

,第九届全球汽车产业峰会

深圳市科列技术股份有限公司动力电池系统研究院院长 刘志茹

谢谢陈总的介绍,科列是专门做动力电池管理系统的,我将从我们现在客户包括市场上包括我们产品客户提出来的一些需求,跟大家分享一下。上午的话,我们提到就是说对未来我们是非常憧憬的,包括车联技术,包括大数据什么时候能帮我们借决问题,能帮我们带来一个新的世界,或者是说从电动汽车的发展来看,实际上现在还是遇到很多的问题,我们能不能着眼将来的技术,回看我们过去存在的问题,积累经验解决眼下的这些问题,因为我觉得在场的话应该有很多的电池厂和整车厂,对于电池系统,这方面应该还是存在一些问题的。

今天我的主要内容的话,主要是四个方面。第一个方面的话就是我们一起看一下动力电池系统它存在哪些问题,然后我们再从科列的角度把我们自己的案例做一个分享,再把我们的解决方案再跟大家共同来探讨一下,最后做一个总结。

我们先看一下动力电池系统的问题,除了是做电池的,然后包括也有同行做电池管理系统的,还有整车厂都在这里。首先,SOC不准造成里程焦虑,虽然我们现在像刚刚上汽的张总,他讲到就是SOC已经做到1%或者3%,但对于大多数的整车厂来说实际上还是一个难点,然后第二个就像我们一般遇到的绝缘检测的问题,这个一旦出了问题的话,就是有一些高压的一个危险,在接下来就是低温时充电的问题,这个问题尤其是出现前几年的产品上,然后产品在夏天的时候推出,又没有设计经验,等到冬天的时候就发现这个车电池充电充不进去的话,行使这个里程就变短,还有就是防水的问题,还有今年包括去年提出来的热失控也是提上了一个新的日程,在研究阶段,到底是怎么解决?我觉得这里边就是SOC不准,但是我们可以慢慢的去通过不同的算法,通过不同的标定去解决;像绝缘检测,大家有用功能安全的方法,从各个角度去提高。对于低温,我们也找到了一些方法,比方说加热技术,防水的话现在都做到ip67,热失控的话,因为这个是一个比较新的研究方向,大家也都在努力,但是里程衰减,现在我们遇到一个矛盾,尤其是说这个车开了四年五年,发现这个里程可能已经不到原来的一半了,而整车厂可能对电池厂的要求是质保八年或者10万公里。

那么从技术来看,对于里程衰减我们可能是从几个方可以去探讨,第一个就是提高电池的性能,但这个首先如果是说技术上的突破,这个可能会受到电池当前技术的一个影响,另外采购性能比较高的电池可能又会受到成本的影响。第二个就是做大电池系统的余量,像比较典型的就是特斯拉的电池,也有人研究过,其实这个也是行业里边大家都知道的,它的不同型号的电池系统其实它都是有余量的,在使用过程中它慢慢的重新标定,当电池衰减的时候,它原来的余量慢慢放出来,这样的话能够达到电池在行驶过程中不会因为里程衰减过多而导致它这个整车性能的影响,但是这里边会有一个很大的问题,就是增加成本,因为特斯拉来讲它的定价是非常高的,它可能几十万的车,它增加几度电,对于成本这边可能不是那么的敏感,对于我们现在这种产品车来讲,这个可能就是一个行不通的道路。然后还有一个方法就是我们现在在不断提高电池管理系统的要求,但是这改进也是需要逐步的去验证的。比方说提高SOC的精度,即使我们提高了,然后加强了对电池的监控和管理,也只能是尽量减少对电池的一个滥用,但对于里程衰减来讲,它起到的作用可能我觉得还是比较有限的,还有一个方法也是科列2011年推出来的,在场上大批量的应用装机已经超过20多万套,将近30万套的是主动均衡技术,但是这个从现在市场的反映情况来看,因为这个也会增加成本,大家也一直有这样一个疑问,就是有一个矛盾,我到底是选择价格还是选择价值,觉得用主动均衡到底对我电池有多大的帮助,大家可能还都是有一些疑惑,当然我们有很多的客户对这个是非常的认可的。现在我们的电池厂跟整车厂它会面临很多的压力跟矛盾,比方说补贴退坡政策,这个压力就直接从整车厂传递到电池厂,然后也传递到BMS这个供应商这里,所以就直接导致成本的压力。但是我们如果一直降成本的话,质量怎么保证,就是说只是一味的去降成本,然后造出来的车将来能不能保证八年10万公里的一个质保,所以这里边我们面临的就是一个是价格取向还是价值取向。这里还有一点就是考虑价格不能只考虑成本,比方说我现在采购BMS,我一定要谈多少钱我要增加主动均衡或在某个功能,这个我不干,但是到后期的话,我们要考虑整个动力电池生命周期的价格,除了我有初购成本,我后期的技术支持和维护成本,甚至我不能保持八年10万公里了,这个里边会不会有商务违约的一个条款,这个应该是更严重,而且是负担不起的。那我们就去看一下,就是说主动均衡的话到底能不能解决这个里程衰减的问题。

我们先看一下这个图,我们看一下它的可用容量的区间在这里是非常的大的,然后右边就是一致性不好的电池,有些充电的时候很快就充满了,但是其他的电池还有很大的空间是空着的,没有电量的,然后放电的话有些很快就放到最底了,就不能再放了。考虑整个电池的性能,整个电池组或电池包的性能放电只能截止,所以最后可用的容量的话只有中间这一小段,这个就是说如果电池存在这样的不一致性的话,其实对电池是影响是很致命的。对整个电池组的一个性能的表现。那我们看一下,现在市场上包括我们前期投放到市场的,因为从电动汽车市场来说真正的迅速发展是2014年下半年,但是在之前的话,通过百城千辆也好,包括大运会也好,一直都有批量的车是在市场上的,这些车的运行状况到底是怎么样的?这里有我举了三组数据,这组数据就是说从车上随机选一组,然后我们发现做测试,它的容量只有75%,那我们给他均衡,之后就发现这容量又恢复到92%,那这说明什么?是说明单体的不一致性,就跟前边那幅图一样把这个容量给吃掉了。这个是另外一组,另外一个电池组,这个也是因为单体的一致性问题导致了容量的衰减,这个直接测试的话,容量只剩56%,但是我均衡完之后容量恢复到88%。再看这个,就跟前面的性质就不一样了,初测的时候它这个容量只剩了70%多,但是我们看到其中有一个单体它寿命已经终结了,所以它电池容量的衰减是因为其中一个电池已经坏掉了,就算我用主动均衡用任何方法已经帮不到它,因为它已经生命已经终结了。

对于科列的一个案例的分享,再讲我们的数据之前,我们先看一下这里有一些国外的数据,实际上对于主动均衡这一块好像很少听到国外在用主动均衡的方法,然后我们就一直猜测是不是因为国外的电池它技术水平比较高,还是因为它成组技术好,还是因为它电池管理性能做得好,我觉得这个都不是,是因为当时大家还没有意识到电池它最终容量衰减,它的组成原因包括它的衰减周期。我们先看一下右上角这幅图,这幅图实际上是福特的一个旧车的电池系统分解的一个测试,在电池生命周期结束的时候,也就是它剩余容量只剩70%的时候,它单体之间的差异是正负5%,也就是说因为电池的一致性导致它的容量衰减是10%。然后实际上我们通过跟美国国家再生能源实验室的一个交流,包括去年去北美也是参加一些像ABC这种行业的会议,然后我们也了解到美国国家再生能源实验室它在电池这一块研究的历史,尤其是跟美国的业界包括福特、通用、三星、lg的这些或者是松下,他们是一直有研究的,在其中有一个项目里边福特跟美国国家再生能源实验室它的一个联合项目,这个实验室它用主动均衡做了一个电池包,然后测试它的寿命可以延长至少是可以30~40%的。当然它的测试条是用了一个一年半的加速寿命测试,并不是在实车上进行的,这个也是我们现在遇到的一个比较难回答的问题。业界经常会问主动均衡到底能把我电池寿命延长多久?我们在实验室做了测试,我是有数据的,但是这个数据跟真实的数据使用情况往往会有偏差的,所以我只能是从另外一个角度去把这个数据分享给你。在这里的话是一年半的加速寿命测试,每天4到6个US06的循环,他的结果就是大概延长30~40%,而另外我们再看左边这幅图,这个也是美国国家再生能源实验室,它通过大量的电池的测试,包括像福特提供的一些整车的分解的样本,最后分析信息模拟出来的电池衰减的一个组成,其中蓝色的这一部分,大家看到这里写的是衰减导致的容量衰减,然后我们看一下它初始的容量是25安,如果按美国一般来讲就是衰减30%算电池寿命终结,就是从车上的寿命一个结束,25乘以0.3的话,应该是大概是七点几,25减7,大概是18这样子,大家可以看到其中大概10%是因为电池容量容量衰减引起的,因为电池单体的一致性不一致性引起的容量衰减好,这个是国外的一个研究状。

然后我们再看一下我们产品的一个应用情况,这个是一个没有主动均衡的电池管理系统,它的实测运行数据。大家看一下,我取的是电池,我先把所有的车的续航工况我先识别出来,我这里取的是充电过程中某一个电压段,某一个电压的点,它的压差的变化,就是整个电池包里边最高单体跟最低单体的一个压差。我也看到对于6430号车,它从4月1号大概到8月18号,可能是四个半月的时间,它的压差是增加了25%,然后左下角这个图大家也可以看到,压差增加的趋势是更明显的,然后右下角这个也是有一个上升的趋势。但刚刚的话,这个是磷酸铁锂的一个数据,然后我们再看另外一个,这个是先看上边两幅图,这两幅图是我运行数据,上线时间的话,这应该是5月1号,然后一直到今年应该是2月份,然后大概是九、十个月的时间,你看一下单体的压差一致性是没有变化,这是一个快充的电池的,如果大家是电池厂或者做过快充电池的电动车的话,会知道快充电池它对压差变化一致性会变化的,恶化的是非常快的,但是对于这个车来讲,它的一致性保持的是非常的好的,然后右边的这一幅图也是,我这是随机取出来两辆车给大家分享一下,然后左下角这块可能桌子有点挡着,左下角这块的话是另外一辆车,这个是磷酸铁锂的一个车的它的电压的变化趋势,也是用主动均衡的,大家可以看到我这里边的每一个点就是代表一个充电的循环,之所以中间是有些高有些低是因为我的充电电流它可能是因为充电站或充电桩的影响,并不是每次都完全一致的,就导致它是有一个差异,有一个离散度在这里,但是大家看一下它这个模拟出来的趋势是水平的,是没有变化的,然后左下角的这一幅图基本上也是没有变化;但我们再看一下右下角这幅,那就是没有主动均衡的,你看它的压差,我这里有一个明显的增加趋势。这说明什么?就是说对于要求非常苛刻的,这种快充的电池如果用主动均衡的话,它的压差一致性保持得非常好的,就是说它一致性变差这块不会导致它的容量衰减,因为它一致性没有恶化。对于没有用主动均衡的,它的一致性会变差的,会恶化的,这个是我们实际从压差角度的一个数据的分享。

另外一个,我们发现其实主动均衡它可以减少温度,对热管理均衡的一个要求,我们在做电池包的时候,比方说像特斯拉的最高最低电压的温度的话不超包括两度,因为它是水冷的,可能要到丰田那里,他设计出来虽然是风冷的,可以做到2.7度以下,电池包的热管理设计其实对成本这块要求也是比较高的。然后我们再回头一下,这个也是美国国家再生能源实验室它做的一个分析,但它的热模型的话像我之前讲到的一样,它是参考了很多的电池,真的是做了很多的测试的,他最后得出的结论的蓝色的话是主动均衡它随着时间的增加,它的温差的变化,温差的变化大家可以看到基本上是水平的,但是对于采用被动均衡这样一个电池管理系统的话,它温差是随着时间的增加是逐渐升高的。那我们看一下我们实车运行的数据。这个上边的话是压差的变化,然后下边的话是一个温度的变化,大家可以看到这个是没有用主动均衡的,11个月其温度增加了将近五度,就是一年的时间,大家知道温度对电池影响是影响非常大的,对电池的性能包括它的衰减。然后这里另外的一个数据就是用主动均衡的,大家可以看到从将近九个月、十个月的时间,它上线时间是5月5号,它这个温度变化是水平,基本上是没有变化的,所以我们跟前边就是国外他的分析是一样的,主动均衡其实可以对电池包的温度热管理的设计是降低的,这在一定程度上可以降低电池成组设计的一个成本。

我们再看一下科列对于前面出现的这种现象的一个解决方案,比方如果是我电池现在已经衰竭减了75%,我能不能把它就是再挽救回来,我可以很肯定的说这个没问题的,是可以做到的。我这边的方案是科列的大数据后台。我不知道大家有没有一个疑问,我前边的话我这些数据是哪里来的,一年多的运行数据是涉及到所有单体的这个数据。我这个方案里边我主动均衡是可以保持单体的一致性的,或者是说你出了问题用我的主动均衡的话,用主动最好的方案的话,我是可以给你恢复的,然后因为对于现在已经出了问题的车辆的话,他一方面我们知道有些事像这种是可以恢复的,有些是电池已经死掉了,我都不知道,如果是没有一个数据分析的话,黑箱我不知道哪个电池的单体是坏掉的,我又不能把车上所有电池包全拆下来一个的测试。

我们就可以通过大数据的后台去实施监测所有电池的单体,然后通过数据分析识别出是因为是寿命已经终结还是因为电池单体的差异性。这里我们提到大数据后台,这个就是科列的大数据后台的一个功能,我们可以实现对每辆车的电池的单体状态进行实时监控,而且这个数据采集的话,吸到所有单体,然后采集的频率可以到秒级,这个可以根据客户的要求去做的,然后包括我电池的所有的电压电流,温度的变化,每个单体的变化,包括我计算出来的SOC和所有的故障,然后右边这个就是单体的状态,一旦我的某一个单体是过高了,它的这个颜色会变成红色,过低的话颜色会变成绿色,这个应该是四月前的一个实车的图,然后另外一个就是科列的大数据后台,它另外一个功能就是对电池历史数据的统计和查询,而且可以实现数据的可视化,比方说我们把电池单体的数据包括这种电池系统的数据全都传上来之后,我是可以做统计分析的,它发生过多少次故障,多少次温度过高,多少次温度过低,然后像前面的这种电池单体的一致性的一个衰减,然后还有一个功能的话,就是比方说整车厂我一台车的话,我用了两个供应商的电池,我想比较一下这两个电池系统,它的性能包括它的故障率。我可能不知道现在整车厂怎么去评估,但是如果我把这些数据全都采集到后台的话,我是可以自动去匹配的,比方说这里的话,这个是我后台的实车的数据的,我这里为了保护客户的隐私,我把它变成用客户ABCDE去代替了,我们可以看到这个供应商所发生的故障会对应到哪边,然后这中间会统计出一个对应的关系,这个就对电池厂来说非常容易去评估,这些供应商也好或电池系统也好他们的一个状态,比方说电池厂你是供了A家、B家两个整车厂,然后A家就投诉你电池有问题,然后但是B家的话,他电池又得用的就非常的好,那这个到底是什么原因?是因为电池的问题还是应用的问题,还是哪里的问题呢?我们通过后台去分析一下就很容易可以比较出来。

我们根据前边讲的这些,我们做一个总结。科列从2010年成立以来一直致力于BMS系统的开发,我们看一下从2010年成立一直到2011年,我们当时是接了就是深圳大运会千辆大巴,然后到2014年电池市场起来之后,整个公司发展也是非常的迅速,我们也得益于客户对我们的认同,跟这个行业一起发展。2015年的时候,我们是新三板上市然后在2016年,我们在整个业务包括公司的技术发展的战略部署上,也根据行业的调整,根据我们对行业的一个观察做了的部署,每年我们都会赞助国内的大学生的电动方程式赛车,去年我们赞助28支中国的团队,然后前三甲,去年的话好像是德国是得了这个赛事的第一名,如果不上不包括德国的团队的话,这前三甲都用的是科列的BMS。然后我们一直说除了在算法包括软件这些通用的技术方面之外,我们一直强调核心技术,比方说科列的主动均衡、无线传输及大数据,然后还有公共安全,现在几乎是所有的乘用车厂,现在都要提这个,不光是国外的,包括国内的,然后还有我们的一个标定技术,我们简单的看一下科列主动均衡它的一个特点就是双向,充电、放电的时候都是可以做到主动均衡的,然后可均衡的单体就是电池系统里边从第一个单体到最后一个单体都是可以做均衡的,然后均衡的电流的特点是恒流的,而非市场上其他的这个产品它是脉冲式的,大家知道这个脉冲式,它一开一关,其实你这个实际到最后平均的均衡的实际电流的话是要小很多的,然后还有一个就是均衡电流的大小,科列是可以持续电流是2A到5A,然后我们是高可靠性的。我们现在的实车的装机量是超过30万个模块的,而且前边的数据也给大家都举例了,客户对我们这个产品带来的性能对他们带来的帮助是非常的认可。因为刚刚提到这个无线传输跟大数据,这里就简单的跟大家去分享一下,这个是我们现在的大数据后台,我们的BMS是自带GPS模块的,而里边的数据传上来之后存在后台,后台的这个数据可以进行除了存储到故障分析像前面的单体分析,包括SOC算法的优化,但是这个其实如果只是数据采集的话,一年之内很多公司或者厂家都做到,但我们的特点在哪里,是可以支持30万辆车同时在线,而且我提到我们是对所有单体的数据进行采集,我们也在跟美国包括整车厂,包括业界都交流过这个是没有第二家的。然后这个就是功能安全的认证我们是在去年年底完成了系统这一级的功能安全的评估认证,是欧洲的给宝马、大众他们做顾问的一家公司,帮我们做的,能做到这一点在国内也是非常的应该是很少,我不知道是不是有,但是我知道是很少。我们新的平台都是按这个去开发的。

下面就是BMS的动力电池系统的一个标定,我们知道就是BMS一定要了解它的被管被控对象,我们才能做到一个高的性能,达到一个合格的设计要求。所以我们实现平常开发,对电池的从单体一直测试到模组到电池包,对BMS进行标定测试,然后今年7月份,在上海这边的研发中心,这样就可以实现整个标定系统的一个完善,这个是我们产品的一个解决方案,可以覆盖到微型车到大巴车。

总结一下,我们现在面临的问题是续航里程衰减的问题,大家都很头疼,主动均衡是可以改善单体的一致性的,是可以延长电池的寿命,这我是可以非常肯定的告诉大家,而且主动均衡是可以点减少电池全生命周期的一个成本,虽然在采购的时候好像主动均衡这个价格是比被动均衡是高了一些,但是从产品的全生命周期来看,这个成本是反而低的。主动均衡可以减轻对弱管理的设计的要求,还有一个就是科列主动均衡,大数据平台方案可以解决现有里程衰减车辆的问题,其实一旦车出了问题,然后换上我们的主动均衡是可以帮助通过主动均衡加大数据平台恢复过来的,然后对于新的产品的话,这个也是完全的没问题,我的分享的话就到这里,感谢大家的聆听。

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