森萨塔科技贾永平：动力电池无线安全管理系统及热失控预警

新能源汽车补贴政策从2016年开始退坡，同时提出动力电池高能量密度路线。近期接二连三的电动车自燃事件，引发了大众对于电动车安全的进一步关注。7月5日，由盖世汽车主办的2019新能源动力电池安全技术论坛在上海举行，森萨塔科技大中国区电动化业务总监贾永平就动力电池无线安全管理系统及热失控预警方案进行了主题演讲，内容如下：

贾永平：大家上午好，今天的主题是关于电动车安全的，我们的专注点是如何把失控动力电池可以提前预警，而且包括如何利用无线的电池管理系统可以让我们的电池更安全。

用数据回顾一下森萨塔科技，森萨塔科技已经是超过100年的科技企业，是全球领先的提供传感，电气保护，控制和能源管理解决方案供应商。2018年销售收入为35亿美金，有超过2万名的员工，在11个国家拥有分支机构。我们每年有11亿出货产品，且都经过高度工程设计，我们有15个口碑品牌，用于制造和销售，有超过47000种的独特产品。

就汽车领域，产品的应用，传统的基本上服务于所有的OEM还有Tier 1，包括安全的，那今天分享的主要专注点是电动化的动力系统，在这方面，我们主要也是专注在如何可以作出一些不一样的东西，尤其专注在一些关键应用的零部件来赋予我们的整车，包括像电池包里面的我们的高压接触器如何载流，另外包括主动和被动的这种熔断器，还有在电动机里面如何可以替代我们传统的工业级的这种旋变，用更小的更可靠的传感器。

此外，今天还会谈到，如何让动力电池里面的热失控事件可以及时的预警，如何把电池管理系统从传统的有线转换成无线。

布局主要是两点：一个是如何更贴近我们的客户？贴近包括生产可以贴近，另外研发也同样可以贴近客户，主要是在美国和欧洲、中国，中国值得一提的是，作为全球三大研发中心之一，传感器就有超过300多人的专业研发团队，不仅仅是支持中国，还包括亚洲和全球。这样可以保证同样的产品，在全球至少两个工厂可以保证生产，保证全球稳定的供应。

电动汽车的安全，是今天的主题和焦点。在2018年有超过40起公开报道事故，2019年至少看到过超过10起，有些不同是2019造成更大的财产损失。

大家看到，包括在四月份上海地下车库的一起停车起火，包括我们举的另外一个例子，在荷兰，4S店的展示厅的一次自燃的事故，这是一个典型的例子，不管是圆柱，三元材料还是方型电池，也不管是在中国还是在国外，实际上都是会发生的。

现在虽然我们做了很多的工作，但是普遍认为，电池的热失控是会可能发生的，不是100%可避免的，我们能做的是把失效概率做的更低。虽然我不觉得电动车不安全，但是作为新技术来讲，安全，已经成为阻碍整个电动车发展的问题和障碍。

在这里，全球已经启动了很多这样的法规要求，特别是由中国作为第一个牵头国来制定的EVS—GTR，大家知道传统车上中国并没有牵头制定和标准，但是电动车有，我们有很多的经验，我们的市场规模是当之无愧最大的。

在这里，中国做的最主要的是电池的安全要求和预警，在我们对乘客发生的5分钟之前必须要有报警，可以让乘客安全的出来，减少伤害。

中国是第一个将此作为强制法规，今年1月份正式报批，明年7月，所有新报批的新能源车满足这个法规要求，而对于所有在产的是在2021的7月份，所以这个是迫在眉睫的一个要求，但我觉得这是对全行业一个非常好的一个信息，让我们至少可以有基本的指导，如何把电动车可以做的更安全。

在这里，实际上大家知道，热失控里面，并不是说突然全部起火，而是有一个电芯，首先出现了热失控，出现了爆燃，包括电解液燃烧喷发出来，电池包有相应的被动安全保护，但是不可避免温度的影响会扩散到其他的电芯，这个过程并不是说一秒钟发生的，从一个电芯到多个电芯是需要一定的过程时间，这里还需要对电池包的被动安全，包括冷却做很多的工作。

我们需要做的是，如何在第一个电芯热失控时可以检测和预警， 使得BMS可以介入做很多应急处理诸如降温，报警等，直接报警到给整车厂的终端或者是城市的消防系统，我觉得这些是有很多工作可以做的，实际上我非常同意刚才蜂巢张总提到的一句：“国标是必须的要求，但国标的要求是最基本的”从我们的经验说，如果我们可以预知第一个电芯的这种热失控的话，我们通过相应的手段可以把这个热失控控制在半个小时以上或者一个小时以上，甚至控制到不出现乘客舱的明火的威胁。

实际上大家知道的第一个电池芯爆燃的话要预警，里面需要有传感器，实际上在电池包里也是有相应的传感器，大家知道有电压，有温度，那是不是这个就足够了呢，现在通过我们的调研和实验得出的是，单纯电压和温度是不足够来判断它是不是热失控，所以我们需要另外一个信号去增加它预警的可靠性还有即时性，通过我们过去一年相应的大量的实验验证，在电池包里面，压力监控是一个最可靠、经济易用的方式。

这里列了一些其他可选的方案，电池热失控后温度肯定升高，然后肯定会有爆燃的气体出来，然后肯定会有烟雾，我们对比的这个主要角度来说它是不是有汽车级的这个可靠的产品，另外它的信号的即时性必须是最重要的。

除了信号本身的清晰度、传感器的功耗、另外不得不考虑的是它的成本。因此，从多个角度来讲压力是综合性最好的一个方案，气体的是大家看到这样一种相应的主要问题，是它的功耗比较高，另外的话到现在为止，并没有真正汽车级的产品。

还有一个很重要的技术问题，当我们在不同的S0C下，发生热失控的时候，包括不同的电极配比，都会产生不同的情况，这就代表不可能用同一个传感器去探索到所有的这些情况。

烟雾也有类似的问题，包括响应时间。大家知道这个相应的温度传感器是有的，但是温度的传递它是需要时间的，电芯爆燃如果不在温度传感器附近的话，它会需要一定时间去反应，这个都是在我们的电池包的实验中所验证过的，而如果每个电芯去加一个温度传感器的话，不仅成本上升了，且从所有系统的复杂性角度看，也是很难接受的。而压力是整个Pack，只要有一个Pack里面的一个压力传感器就足够了，因为不管安装到什么位置，压力波的传递是以声速传播的，所以它不会因为安装位置来导致反应速度产生什么问题。

我们的方案如何可以完整的探测到热失控呢？

首先这是一个智能化的方案，在停车模式下，仍会有24小时的低功耗的监控。为什么停车还需要监控？大家看到两起事故都是在停车，没有发生碰撞时发生的。比较完整的统计中我们可以看到大概有20%的热失控事故是在没有做任何动作的情况下产生的，也就是停车状况下。停车阶段BMS休眠模式，自带的电压监控和温度监控都是不工作的。

我们的方案，在停车模式，即24小时低功耗的监控模式下，如果检测到压力的剧烈变化还有上升的幅度，就可以去唤醒BMS，让它去监测电压和温度信号来判定是不是真正发生了热失控。

所以在这个过程中，传感器的第一个关键点，在于这是全球从来没有先例的应用，但是我们经过一年的实践包括四五十个电池包的测试，积累了大量的数据和经验，包括811或者是其他低能量密度的不同，三元锂和磷酸铁锂也是不一样的，软包、圆柱和方形电池对比对这个系统的匹配也是不太一样的，还包括传感器是否受海拔的影响，这个也在我们的方案里面得到充分的考虑的，现在也跟所有的国内OEM已经在进行相应的方案测试，以保证我们开发出的是一个真正的让我们的电动车可以更安全的汽车级新产品

由于这个传感器是用来保证安全的，所以传感器本身一定也要安全，从初始概念就必须包含功能安全的考虑，包括需要有更多的自诊断的功能，这也是这个方案的关键点之一。

目前，我们已经投入了一年多的时间，与我们的客户一起在做一些产品定义和产品开发，我们独立的智能传感器产品，预估会到明年4月真正投入到量产，即在法规生效之前，大家可以看到新的车型上将具备这个新的功能。

因为我们汽车产品需要不断的迭代且有成本的要求，有性能的要求，有可靠性的要求，因此是否可以把它做的更小？更精细？响应更快？我们是不是可以把它做成无线的？虽然有线的也可以24小时工作，但是热失控的时候，是否会导致线的一些功能失效？因此使用无线的就可以结合到这样的一个概念中去：如何可以让它更可靠？

我们的无线电池管理系统，就是现在这个领域比较前沿的一个方案，它的主要特点是中间的很多的信号线都可以去掉，大家直接的反应，我可以更简单，可以减重量、体积，在相应的体积内可以装更多的电池，从而增加这个能量密度，同样的话也是增加它的续航里程，然后我实现同样续航里程的话，就使用更少的电池。

安全性和可靠性是我们的无线电池管理系统最重要的特点。在我们实验室电池，真正的模组之前，还是有风险的，不管我们去安装，还是我们要测试它的SOC，或者我们在售后去维护它，包括客户在使用过程中，无线的话真正的实现高低压的隔离，就是高压永远不会到低压的BMS通信端，真正实现物理的隔离。

在这个过程中，我们同时可以减少安装、制造等很多的失效点，同样可以减少我们的更多的安全问题。

另外一个我们谈到了热失控的预警，且带有停车模式功能，现在的BMS基于有限的配制来说并不能在停车模式下实时的监控和判断电芯的状态，而这个隔离以后我们在层板有特殊的一些配制，BMS去监控我每个电芯的状态，同样有异常发生的话，可以更早的预警，这样的话，可以唤醒我们的主控板。

当然大家可以考虑到布置传感器，整个生产过程简化了，整个投资可以简化，不需要人工去测试，只要无线工具就可以。

现在我们必须要梯次利用和回收。运用无线BMS，我就不需要拆解，我可以通过无线知道电芯的状态然后有选择的去利用它，这些我觉得都是无线所带来的潜在好处。

对于整个BMS来说，作为最重要的大脑和控制模块，需要更高的功能安全要求，它引入了无线通信技术，需要考虑更多的信息和网络安全，这些都是在整个设计中必须要考虑的，现在在我们所有的整车Pack级别的测试以及整车级别的测试上都基本上实现了我们之前定义的可以匹配到的有线BMS的Pack要求。当你没有线的时候，你整个线的设计，就可以省掉了。

目前我们每个车型需要设计，一般线束是配制了这个模组，所以当整个配制完了之后BMS配合整个模组的配置，这样的情况下每一个车型都需要定制化。如果我们全部是无线以后，可以做成标准化，然后标准的模组集成在一起，所有的模组都可以标准化设计，然后根据续航里程去进行配置，这是一个很重要的真正尝试，是这个技术带来的长期规划的一个好处，当然对于这个配制来说我们也有很多灵活的配制，包括因为它是无线的，可以参考设计直接集成在主模块上去。

这个新的技术，虽然现在市场上还没有真正量产应用，但它可以带来的前景会是什么？

无线以后，是在整个电池包里面形成了无线的局域网和平台。像我们家里面的无线局域网一样，有自己的无线网。它可以更深入化的进行实时监控，让每一个电芯都无线化，然后每个电芯都可以有它的感应监测，可以更快的预警和预防到电芯的状态和热失控问题，这一切畅想都包含在了我们的整个规划里面。

当你家有无线局域网的时候，你回家以后，手机会自动连接上，电脑也可以连上，同样，在整个电池包里面，可以随时的进入到无线局域网，可以无线化，支持整个数据传输功能，包括热失控的预警，包括现在有的温度传感器，电流传感器，可以都用无线的方式集成进来。

另外甚至包括高压里面对配电的控制模块，里边有很多的控制器，熔断器，如何让整个包更智能化？现在很大困扰就是里边的执行器的寿命是无法控制的，是无法知晓的，我们可以通过这种方式，来增加里面很多的智能监测功能，可以预判接触器、熔断器是不是有问题，是不是需要提前换它，这样可以避免很多售后的问题。

最后我相信通过整个行业的技术创新和技术前瞻，可以让我们的新能源汽车更绿色、更安全。

问答：

问：你们在BMS这块是如何考核考量的？另外，从整个无线BMS考虑，5G成熟的话，对于盈利点会不会有大的空间？

贾永平：不一定回答的全，但是可以试图回答一下，第一个是关于BMS的控制，最早的电动车像通用在北美的电动车，一般是集中式的方式居多，现在大家看到的是分布式的，它并不是把所有的控制功能都集中到我们的BMS主板上面，我的看法是这种分布式的可能会持续是一个主流，超过一半的配比。但是现在也看到一个趋势，大家用大模组的方式，把整个分布式的模组数量减少，甚至大家发现，最先的集中式方式，模组少了，做一个大的主板成本会更低，这个有一定的占有率。

另外跟很多的OEM交流中发现，现在是处于技术还没有统一化的阶段，有的考虑方式是，我可以把更多的控制功能集成到上面来，有的考虑方式会像热失控预警一样在层板上进行热失控预警，这有一个好处，从板总是在包里面，现在主板的话大家可能移动到从板上，放到从板上的好处就是我可以不用传感器，我可以用一个芯片去实现它，而且在从板上有更好的电压模块，不用担心低功耗的问题所以很方便的识别，我觉得都是很好的方式，但是最终要看整个电池BMS和整个配置的综合考量，包括可靠性、成本，我觉得综合上述的一个平衡考虑，还是分布式会占一半的量。

5G这个暂时还没有影响到我们电池包，现在无线的BMS主要是集中在包内的电池控制，所以更多的还是考虑包内如何去信号传输，信号的信息安全，但是我觉得是一个很好的点，如何可以把更多的数据、信息跟后续的，包括其他的车与车之间的信息可以互动，可能在共享商用的车应用里面会更容易一些，会有更多的畅想和发展空间。

问：我们做了很多的BMS的项目，像您说的无线方案我没有遇到过，能否具体介绍下产品进程，且成本这块，具体与传统的BMS有什么不同？

贾永平：关于无线BMS，我们现在是先跟一些国内外在新技术方面以有共同的探讨的企业在合作，现在Pack这边的测试已基本完成，整车级别的正在进行，对于产品来说，今年一季度，所有的A样已经出来了，然后明年一季度应该是我们的B样，然后最早SOP的时间我们跟客户聊的是在2021年的时间点。

当然从成本来说，不要觉得无线BMS肯定是便宜的，且简单的认为它就是去除了线，可能就是几百块钱这样一个级别，它的线本身不多，但无线BMS单纯从成本来说，肯定是比现在的传统BMS要高，因为它多了收发模块。我们有自己的收发模块的定制IC，有IC以后，基本上可以和有线的方案达到差不多的效果，另外从无线BMS研发投入角度来看，包括整车级别的研发，无线的方案是在未来有很多潜在的价值和收益，包括我们刚才谈的我们不需要更多的设计的工作，然后在二次利用，大部分像蜂巢都会顾及二次回收包括梯次利用，这个里面有有很多潜在的收益。当然质量安全这个无法非常好的去量化，但是我觉得它是困扰我们电动车安全可靠性的很大一个方面。

另外保证生产过程中我们应该考虑到谨慎，总的来说，我希望做到的是考虑到整个生命链的价值，就像我们电动车考虑到它整个使用寿命，集成IC然后加上一些潜在收益，我们相信这个市场会朝这个方向去走，但是不会那么快，可能到2021年我们20%、30%这样一个渗透率，它的量已经足够支撑。

问：在传统的BMS功能安全里，你们公司在研发传感器的时候，是基于什么样的出发点？从产品研发开始，就已经有了这样的概念？

贾永平：首先功能安全我觉得这个一定是的，然后我们一定要从研发的开始阶段就明确它的功能安全的一些要求，这些是贯穿始终的，对于BMS我们的目标是ASIL D的要求，对于无线的应用来说我们跟国内很多专业厂家去聊，功能安全的确是一个挑战。大家都知道，试图去建立这样一个系统是一回事，但是真正完善，且从所有方面都保证可以做到没有问题，这个还是相对比较困难的。当然我觉得对于功能安全来说，流程是一方面，另外，安全可靠性更重要，实际上它从研发角度来说就是如何识别风险和避免风险这样一个过程，原来传统传感器系统里面我们同样是这样考虑的。

回过头来说，因为这是一个全新的产品和应用，没有人在电池包里面做过无线并且功能安全达到ASIL D，我们有跟第三方专业的公司去合作，基于功能安全的要求，包括如何做到ASIL D这个，所有研发过程正在进行中。因此我们对功能安全、ASIL D的要求还是比较有信心的。

还有信心安全在共享安全里同样重要，我们在网络传输里，安全都有相应的级别划分，信息技术里面也有。但是在电池包里面没有，我们也是第一个跟美国的一家咨询公司正一起把信息安全的标准建立起来，所以这个过程是相对比较艰难的，没有那么顺利的。但是我们是必须要在功能安全、信息网络安全这样的级别，保证我们后续在整车上的可靠应用。

问：最后补充一个问题，EMC对无线BMS的影响是？

贾永平：这个同样，没有前人之鉴，我们在Pack级别EMC、EMI的测试都已经多过，通过相应的模块位置，软件协议的定制化的纠错的方法是完全可以解决这个问题的，就是我们现在这个2.4G的方法，当然还有包括进场的这种无线的方案，我们现在都做过相应的对比和研究，现在的方案应该是最可靠的，应该是没有问题，可以解决的。