圖為：國家"千人計劃"特聘專家、BMS專家 林健

大家下午好，我演講的題目是國內(nèi)外電池管理系統(tǒng)核心技術發(fā)展現(xiàn)狀。電池管理系統(tǒng)范圍較大，所以我們拿重點來講，我講的和大家平時在網(wǎng)上看的有點不一樣，網(wǎng)上經(jīng)常排名，中國BMS頭十名、頭二十名，他們是根據(jù)市場的客戶排名，我主要是根據(jù)技術來講差異。我大概講這樣一些，講我們自己做的BMS系統(tǒng)，講國產(chǎn)的BMS問題在哪里，講核心技術，以及國內(nèi)外BMS 算法的評估。

這是我曾經(jīng)做過的一些系統(tǒng)，第一輛車是福特的翼虎，這是美國的第一輛混合動力車，基本上是豐田的技術。后來我去了通用，主持了雪佛蘭沃蘭達的BMS系統(tǒng)。我們把這個磷酸鐵鋰電池算法難關攻克了，用在了Spark上。還有就是凱迪拉克，跟沃蘭達差不多。為什么讓我主持通用的BMS系統(tǒng)，因為我們在算法上有很大的突破，實現(xiàn)了對電池參數(shù)的實時在線估算，也就是說我們能夠?qū)崟r在線估算電池的SOC、SOP和SOH。為什么要實施在線估算，實施在線估算的好處在哪里。第一個，就是能夠精確地估算出電池的動態(tài)特性。第二個，它有強大的糾錯能力。第三個，因為是實時在線估算，所以它的估算精度與老化沒有關系。因為我們知道電池老化之后，估算精度一般都有問題，我們實時在線估算，實時估算電池的參數(shù)，跟老化沒有什么關系。

這個東西對于中國的電池來說還有另外的好處，就是極大地簡化了定標工作，因為中國的電池一致性略差一點，所以你搞列表就有點不靠譜，參數(shù)列表都沒有什么大的意思，因為你不可能把所有的參數(shù)都記住。我又去了美國的三大公司之一克萊斯勒，上面的兩輛PHEV不算我做的，但是我去了以后，這兩輛車出了很大的問題，我把它的算法改了。下面這一輛是克萊斯勒的第一輛量產(chǎn)的純電動車，菲亞特500e。下面這是中國正在做的一輛車，漢騰。

中國的BMS我們經(jīng)?？吹接行┦裁词鹿?，五洲龍電動大巴起火，原因BMS失效。上海電動公交自燃，通風不夠，電池過熱。說明什么問題，BMS存在很大的問題， BMS失效，相當于一個人腦死亡，它能不出事故嗎，熱管理也是，實際上熱管理并不是很難，電池過熱，這個是不應該發(fā)生的事情，不能沒有保護。我看到網(wǎng)上寫，有的網(wǎng)友說，一過收費站，一加速SOC急劇下降，。有一些南方車主也發(fā)現(xiàn)，SOC突然從80%跳到98%，或者100%，充電充不滿。還有行駛三個月，EV里程從70公里一下掉到40公里，說明什么問題，第一個，它的電池的狀態(tài)估算肯定有問題。第二個，均衡肯定出問題了，如果電池沒有問題，里程為什么會突然下降，肯定是這一點出問題了。

所以我們說一個完整的BMS，需要有精確的SOC、SOP和SOH的估算，要有有效的動態(tài)均衡控制策略，還需要有容錯、糾錯機制。BMS的核心技術是電池狀態(tài)的估算策略。對于估算策略，從控制的角度來說有一個標準，這個標準就是高精度和糾錯能力。這就是我總結的一些國內(nèi)外BMS算法的現(xiàn)狀，要看國外的供應商，它的SOC的誤差一般在5%到8%左右，我們現(xiàn)在可以做到多少，對于三元鋰電池，可以做到小于3%，這是完全可以做到的。并且實際上當年我們在做沃蘭達的時候，專門收集了一些工況，原來使得我們的算法有可能出問題，或者是SOC也有可能偏大，我們把工況拿來仿真，確認我們的估算SOC確實在3%以下。

國產(chǎn)的基本上大于20%，下面我要講為什么肯定大于20%。國外的算法都是希望能夠?qū)崟r估算SOC，希望能夠?qū)崟r糾錯。但是希望是希望，有些可以做出來，有些情況下做不出來。比如說國外的許多供應商，他們都是通過大量的工況實驗，把電池的參數(shù)列一個表，比方說電阻電容列出來，根據(jù)基爾霍夫定律算出來VOC 應該等于多少。這個算法問題出在哪里，其實我在克萊斯勒的時候，有一個供應商跟我們說，所有的歐洲工況標準都通過了，我說你這個算法有問題，問題在哪里，當電流一大的時候，你的算法就不工作了。我給了他一個工況，他果然發(fā)現(xiàn)不工作了。那個表對于小電流來說工作比較好，對于大電流來說表是有問題的。

對于舊電池，國外供應商怎么做，因為阻抗變了，所以他們需要做實時在線的評估，這樣相當于阻抗，可是總的阻抗變了，你不等于知道了是不是內(nèi)組變了，也有可能是別的變了。它有一定的糾錯能力，可是誤差比較大，而且標定的工作量很大，尤其我見過幾個供應商的BMS，在零下20度的時候，誤差甚至達到了 100%，前兩年的時候，2014年初北美天氣非常寒冷，零下20多度，我們車廠，他們把車子一啟動，車子就進入龜速的狀態(tài)，一查功率，電池是嶄新的電池，跟新電池相比小了一半，我們找供應商，你的誤差太大了，根本不可容忍。SOH誤差也是比較大，一般在10%左右。

我們現(xiàn)在可以做到什么程度，對于不管是新電池還是舊電池，沒有表可以查，都是在線估算算出來的，第二，糾錯能力很強，因為是在線的，所以有很強的糾錯能力，可以直接計算出Voc來，標定也特別簡單，特別適合于一致性不太好的電池?？刂撇呗员仨毢芫_，這是我們做在線實時估算的優(yōu)勢，我們可以把它的內(nèi)阻、雙電層電容、電荷轉移電阻、擴散電壓、遲滯電壓等算出來。這就是我前面講的，簡化了標定工作，標定非常少。老化以后精度不受影響。下面來證明這個事情，這是一個磷酸鐵鋰的例子。紅色是我們估算出來的SOC，綠色是算出來的SOC，藍線是真正的SOC曲線。我們有意讓真正的起點錯掉，真正的90%，我們讓起點在70%，為什么要這樣選法，因為磷酸鐵鋰這個電池在70%到95%的區(qū)間，它的電壓只變化兩到三個毫伏，可是這是我們2008年做的，那個時候的精度大概有3到4個毫伏的誤差。所以要做這個東西，實際上是比較困難的，我們檢測精度都不夠，我們故意把起點搞錯掉，看能不能糾正過來。所以我們看紅線，它迅速的能夠跳到正確的位置。

大家看這個地方，變開了一點，SOC誤差變大了，大概將近4%的誤差。為什么這個地方SOC會變大了，因為磷酸鐵鋰的電子還有一個特點，在SOC從40% 到50%的時候，它的電壓只變化一個毫伏，所以我們這個地方誤差就開始變大了一點。這是我們一個很好的例子，證明我們糾錯能力很強的一個例子。

為什么我們需要糾錯呢，因為我們知道磷酸鐵鋰有一個電壓叫做滯回電壓。怎么回事兒呢?一般我們在國內(nèi)做安時積分的時候，前面需要一個OCV，確定起始的 SOC。磷酸鐵鋰電池有點奇怪，奇怪在哪里，剛才科力遠也講了，他們用的鎳氫電池，鎳氫電池跟磷酸鐵鋰電池有一個相似的地方，就是下行的OCV和SOC的曲線，和上行的OCV、SOC曲線兩個不重合，中間有一個差值，這個差多少，30毫伏。如果從中間線來看，中間線上面到下面，差15個毫伏。這對于電池來說沒有關系，大概差3個百分點。但是對于磷酸鐵鋰，對于鎳氫電池來說，這個是致命的，因為我們剛剛說，SOC在40%到50%的區(qū)間，電壓只變化一個毫伏，你變化了15個毫伏，誤差就大了。而且SOC70%到95%也有這個問題，只變化兩三個毫伏，但是你可以變化15個毫伏，這就完全錯了。[!--empirenews.page--]

第二點，對于磷酸鐵鋰來說，OCV的起點很難確定，比如SOC是45%的時候，用OCV找起始的SOC，有可能找錯了，變化只有一個毫伏，但是檢測的精度 3到4個毫伏。還有一個更重要的，不僅對于磷酸鐵鋰電池，對于別的電池也是一樣的，安時積分誤差大。我們再看這個表，我剛才說了，對于安時積分來說，它的誤差可以高達20%，很多人不相信，你要是問國內(nèi)生產(chǎn)這個BMS的前20名，他們都說我們的誤差小于5%，他們用的都是安時積分，下面我們舉一個例子來看。

這是我們在實際測量的一個工況，這個工況我們采樣的頻率100赫茲，綠顏色的是電流變換，藍顏色的是安時積分，紅顏色的是我們估算出來的SOC。我們通過靜置了一個小時，把真正的開路電壓找出來，通過找出真正的開路電壓，可以找出真正的SOC，這個SOC是多少，52.5%，我們估算的是52.19%，就是我們的誤差大概在0.3%的樣子。如果是利用安時積分算出來的SOC是34%，兩個誤差則達到了18%。所以這個例子說明，安時積分的誤差可以高達 18%，這個是在什么條件下知道的，第一，我們準確知道起點。第二，我們非常精確的知道它的安時容量，當電流比較小的時候，紅線和藍線幾乎是重合的，只有當電流突然一下子加大，加大到250多安培的時候，安時積分就偏差了。

有人就說了，你這個東西只是一個特例，不嚴謹。實際上只有一個特例就行了，證明你誤差可以有這么大，實際上如果安時容量再稍微有一點誤差，你的整個的 SOC誤差就超過20%了。還有人說，我沒有見過這么大的SOC誤差，也可能是沒有見到過，為什么，你如果用安時積分，永遠都見不到，因為即使有了誤差，你也見不到，因為沒有一個參考值。我為什么說沒有參考值，當你開車的時候，如果發(fā)現(xiàn)了SOC等于34%，你如果按照國標，把電池給我放光，把電全部放光，你就知道真正的SOC等于多少。但是你不能在半路上把電放光，所以它顯示什么值，你就必須得相信，所以你永遠看不到SOC到底應該是多少。

對于剛才的工況。我們再改一下如果起點不是90%，把它改成80%，同時我把安時容量縮減20%，目的是什么呢，因為我們知道如果安時容量衰減20%，電池就到壽命了。如果精度仍然保持不變，我們就可以說，我們的精度終身保持不變。大家看這個圖，我們估算紅線的SOC是51.9%，誤差大概是0.6%，和 0.3%幾乎是一樣的，所以用我們的算法SOC精度保持不變，和安時容量基本上沒有關系?？墒侨绻冒矔r積分，那就差的很遠了。所以說我們的控制策略有這樣幾個優(yōu)勢，第一，高精度。第二，很強的糾錯能力，與起始的SOC無關，與安時容量無關，在整個電池周期內(nèi)，精度保持不變。

為什么我們用這個例子?國標上面寫了SOC誤差小于10%就可以了，這是行業(yè)的標準。這個標準有一個很大的問題，我們看它是怎么給工況的。這是國標給的時間最長的兩個工況，一個是80秒，一個是90秒。國標說，你任意選一個工況，連續(xù)循環(huán)10次，來檢查你的SOC，連續(xù)循環(huán)10次有什么問題，首先我們看曲線全部是筆直的曲線，就是手畫的，根本不是實際的工況。第二個最長的90秒，你循環(huán)10次是多少秒，900秒，多長時間，15分鐘。15分鐘SOC變化多少，不到10%，這說明什么問題，假設你電流傳感器完全弄錯了，測量永遠都是零，你的BMS都可以過國標。SOC不變，但是整個變化小于10%，只要你不是太爛，完全不靠譜，你的BMS精度肯定可以通過國標。所以我們說國標給的工況來驗證SOC精度，完全沒有意義。

再一個精度驗證方法，國標要求要把電量全部放光來驗證，這當然是一個方法，但是這個方法沒有任何實際意義，因為你在路上不可能把電放光。另外，國標還有一個問題，我們做安時積分，需要用到一個表，這個表就是開路電壓和SOC關系的表，可是國標從頭到尾沒有提到這個關系。我在想，靠這樣的國標，怎么樣才能提高我們的BMS水平，沒有辦法提高。生產(chǎn)的車再多，國家給的補貼再多，那也只是低水平的重復。大家現(xiàn)在做BMS做都做不贏，做一個賣一個，根本不需要提高水平，所以我說彎道超車永遠都只是一個夢。

下面我們來看，我們國家做BMS的算法和國外大概差距有多大，從研發(fā)方面來講，GM在2008年有了磷酸鐵鋰的算法。國內(nèi)我查了一下資料，大概2009年開始，有很多文章，就開始談論磷酸鐵鋰的SOC估算，但是到現(xiàn)在為止沒有一個能夠?qū)嶋H應用，為什么?第一個，它缺了一項，就是我前面講的滯回電壓，所以它的模型是不夠準的，差了一項，差了一個物理量，物理模型有問題。第二個，所有的有關于SOC的文章，都沒有講到一個很重要的東西-糾錯，都只是講精度，沒有講如果我的起點錯了，如果我的容量有點誤差，如果我的安時容量有點誤差，我能不能保持這個精度，沒有人談這個事情?？墒沁@個在我們做汽車方行業(yè)，這些都是真實存在的，電流不可能100%準，容量不可能100%準，起點也不可能永遠保持準的。遇到這種情況我們怎么辦?如果查我們國家大專院校寫的文章，就沒有人談這個事情。完全不考慮出錯，怎么能上車?

2009年，GM在沃蘭達上面實現(xiàn)了對安時容量實時在線估算，今年我參加了幾個活動，有一些很著名的學校和著名的單位提到，我們現(xiàn)在在線估算有困難，要等兩年，用大數(shù)據(jù)估算。其實大數(shù)據(jù)估算也是一個統(tǒng)計的，對于某一個車來說，對于某一個電池組來說，大數(shù)據(jù)還是算不出來的。

我們在2011年的時候，已經(jīng)成功地將這個算法的運算量減少了10倍，用很便宜的CPU就可以實現(xiàn)整個算法的估算。國內(nèi)現(xiàn)在看一些文章，說運算量太大，我們現(xiàn)在用不了。2012年的時候，我們成功實現(xiàn)了對整個電池包狀態(tài)的估算，國內(nèi)我看了一篇文章，很著名的高校在2013年就提出來了，用開路電壓來比較 SOC，估算SOC，但是整個磷酸鐵鋰電池，我們只要看Voc差幾個毫伏就可以了，但是我們知道，差一個毫伏可能差10%，差兩個可能差20%。所以你光比較Voc不比較SOC，這個里面問題很大，文章里面從頭到尾沒有一個SOC的圖。所以從這里我們可以看出來，實際上國內(nèi)國外起點都差不了一兩年，可是經(jīng)過了四五年、五六年之后，我們可以發(fā)現(xiàn)差距越來越大。

國內(nèi)外對于測試的要求，差距也是很大的，像國標，他說我們只要測兩個點，一個點選在SOC，高于80%。另外一個點選在SOC小于30%，如果在這兩個點 SOC的誤差小于10%，就算是通過了，在美國我們怎么做的，是找工況，工況一直從100%一直放，放到什么時候，放到電壓接觸到了你的最低的允許的電壓。像一般美國電池最低電壓定義在2.7伏，我們一直放，放到2.7伏停下來。那個時候SOC只有1%左右。[!--empirenews.page--]

就工況來說，剛才給你們看了兩個例子，用手畫的線，這個東西實際上根本找不著?？墒窃诿绹?，美國把所有的工況，有可能出問題的工況全部搜集起來，建立一個數(shù)據(jù)庫，然后對算法進行仿真。像當時沃蘭達收集了四五十個工況，這是有可能導致問題的工況，一l有可能使SOC發(fā)生偏差的工況，我們?nèi)占饋?，大概四五十個。我們都是下午下班之前，讓計算機自己連夜進行運算，第二天早上，我們工作的時候，大家都坐在一起來看SOC的誤差是多少，都是這樣確定的，所以跟國內(nèi)手畫的直線差別很大。

前面講的SOC，現(xiàn)在講SOP和SOH，SOH國內(nèi)一般都是用查表，比如電壓低于3.3伏3.2伏，把電流限制一下，低于多少伏再限制一下，低于3.0伏就斷了。老化有兩個方法，一個方法就是我前面提到的，想用大數(shù)據(jù)估算或者安時用量。還有一個方法，建立一個數(shù)學模型，這個模型可以說是一個計算公式，當有很多的老化數(shù)據(jù)的時候，根據(jù)這個數(shù)據(jù)找出老化的系數(shù)。這個東西有一個問題，因為這個老化，得到的公式實際上是一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不代表一個電池老化過程，就比方說我們說我們中國人的平均壽命，假如說是80歲，但是具體到某一個人，你能活多少歲，正好80歲就沒了嗎?也不一定，有可能70歲就沒了。所以通過大數(shù)據(jù)得到了一個模型，只是一個統(tǒng)計模型，它不代表某一個個例的實際情況。所以我們說對于某一個電池包來說，這個安時容量如果用模型來估算它的壽命，有很大的問題。我曾經(jīng)看過一個國外的很著名的廠家他做的4季工況實驗，一個人開車上下班，買東西一個實驗，連續(xù)模擬春夏秋冬四季，大概做了半年多，把電池包做老化了。他做一段時間，把它的參數(shù)測驗，做一段時間，把參數(shù)測一遍，我們做完之后，他把它的電阻給我們看，有的隨著電池老化，電阻是往上走的，有的是平的，不變，有的先往下，后往上，還有的是先往上，后往下，什么情況都有，根本沒有統(tǒng)計規(guī)律。所以如果拿一個統(tǒng)計規(guī)律的東西，來確定某一個電池它的特性，這個東西就不靠譜了。

我們現(xiàn)在可以做到什么程度，這是我們動態(tài)估算的例子。最上面的是電流的變化，中間是電壓的變化，下面的圖就是車子開開停停，停的時間，任意的一個工況，看我們在線估算的能力。這是一個40安時的電池，可以看到開始是40安時，在估算過程中安時容量有一定的抖動，但是最大的是多少，是0.7個安時，最后我們算出來誤差是2%。光有這個還不夠，因為它只能證明知道安時容量可以估得很準，另外一個實驗，假設起始容量我們不知道，可能不是40安時，而是30安時，它慢慢的接近40安時了。為什么沒有一步跳到40安時，因為我們限制了它的步長，每次只能跳5%，就是兩個安時，跳了幾步才可以跳上去，要不然是一步跳上去。從這個實驗可以看出來，我們說在線估算是有糾錯能力的。

另外一個，剛才從30安時開始，假設容量還是不知道，它的起始是50安時，我們看它跳幾步之后，也跳到40安時了，說明我們從兩個方向都具有很強的糾錯能力。最后我們要講一下為什么要估算SOP，我上個月參加一個會議，很多人就在講，我們需要一級防護、二級防護，要保護電池。但是有可能使車在高速公路上就掛了。很危險。后來我實在有點忍不住，我跟他們說，這些保護都是需要的，但是保護是備而不用的。如果你用了保護，說明你的東西出問題了。我們?yōu)槭裁葱枰? SOP，有兩個作用，第一個限制功率，保護電池。第二個，充分發(fā)揮電池的潛力，比方說很多國產(chǎn)的車，BMS為了保護電池，明明電池可以輸出50千瓦，你只讓它輸出40千瓦，是保護了電池，可是犧牲了10千瓦，這10千瓦對于你的動力性能來說就是很重要的。充電也是一樣，假如說當你剎車的時候，能量回收的時候，它可以吸收50千瓦的功率，你只讓吸收40千瓦的功率，你的效率就要降低，所以精確的SOP也是很重要的。這是一個實例，我們稍微看一下，當時估算的 SOC是10%，我們測了三個電壓，一個是最大的電壓，一個是平均電壓，一個是最低電壓。車在路上熄火了，我們最低電壓是2.7伏。它低于這個電壓，我們車立刻就停車了。保護電路工作了。下面看靜置之后，均衡性有沒有問題，我們看最高和最低電壓，對應的SOC誤差1.5%，我們說這個電池是均衡的，只不過到了最后它承受不了，有一個電池突然電壓掉下去了。這個就是我們計算出來的SOP，我們在這個地方可以看出來，突然加速，它超過了我們設定的線(SOP)，所以車停住了。

下面我們再講一個修復均衡的例子，這個就是前面我講的兩輛車，一開始不是我做的，我是過去修正它的算法的。因為這兩輛車，SOC誤差很大，我把算法一改，最后開了一段時間以后，SOC不均衡從45%下降到3%，說明我們的均衡非常有效。由于時間關系，就講到這里，謝謝大家。