电池管理系统创新如何提高电动汽车采用率

随着全球对可持续交通的需求日益增长，电动汽车(EV)作为减少碳排放、缓解能源危机的重要解决方案，其市场份额正逐步扩大。然而，要实现电动汽车的广泛普及，面临诸多挑战，其中电池管理系统(Battery Management System，BMS)的性能至关重要。BMS 作为电动汽车的核心组件之一，不仅保护电池免受损坏，还通过智能算法延长电池寿命，预测电池剩余寿命并维持电池正常运行状态，其创新对于提高电动汽车采用率具有不可忽视的推动作用。

二、BMS 的架构与工作原理

(一)主要子系统

一般来说，BMS 具有模块化结构，通常包括电芯监控单元(CSU)、电池控制单元(BCU)和电池断连单元(BDU)三个主要子系统。CSU 负责检测每个电芯的电压和温度，收集所有电池电芯的参数信息，并执行电芯均衡以补偿电池电芯之间的不一致性。BCU 则整合来自 CSU 的参数，检测电池包的电压和电流，负责电池包管理，根据收集的数据分配电池的充放电方式，计算荷电状态、功率状态和运行状况，执行智能保护控制和绝缘监测等功能。BDU 主要负责在必要时切断电池与外部电路的连接，保障安全。

(二)工作流程

在电动汽车运行过程中，CSU 实时监测电芯状态，将数据传输给 BCU。BCU 根据这些数据进行综合分析，判断电池的整体状况，进而调整充电和放电策略。例如，当检测到某个电芯电压过高或过低时，CSU 会进行电芯均衡操作，而 BCU 则可能调整充电电流或停止充电，以避免电池过充或过放。在发生碰撞或短路等异常情况时，BDU 迅速切断电路，防止电池进一步损坏和安全事故的发生。信息通过控制器局域网(CAN)通信传输到汽车控制单元或电子控制单元，实现整车对电池状态的监控和管理。

三、BMS 创新的关键领域

(一)电池化学物质的优化

NMC 与 LFP 的发展：目前，镍锰钴(NMC)三元锂电池因其出色的能量密度，在电动汽车中广泛应用，直接影响着续航里程。但近年来，镍和钴需求激增带来市场动荡。相比之下，磷酸铁锂(LFP)电池不含昂贵且稀有的镍和钴元素，成本更低，生命周期长，稳定性高且不易起火，安全性优势明显。尽管 LFP 能量密度较低，但其在大容量汽车领域，如公交、物流车等，凭借经济实惠性和安全性，逐渐崭露头角。并且，LFP 需要十分精确的电池监测技术，以应对其平缓的放电曲线。

固态电池的潜力：多家汽车制造商积极开展固态电池研究。固态电池具有更高的能量密度、可靠性和抗老化特性，充电速度显著加快，安全性更是大幅提升，有效限制了液态电解液在高温下易燃带来的火灾或爆炸风险。随着技术的突破和成本的降低，固态电池有望成为未来电动汽车电池的主流选择。

(二)无线 BMS 技术

组装与生产优势：传统部署 BMS 主要依靠导线，虽能满足汽车安全完整性等级 D(ASIL D)合规性，但存在电缆故障、保修维修和电池电芯更换成本高昂等问题。无线 BMS 简化了电池包组装和生产过程，生产线技术人员无需将电缆插入每个电池模块，就能组装电池包并获取即时读数，大大节省成本并提高生产效率。

减少故障与减轻重量：电缆线束和连接器是电池包故障的主要原因之一，无线 BMS 减少了低压布线，降低了电池包故障概率，减少原始设备制造商(OEM)的保修索赔风险。同时，无线 BMS 有助于减轻车辆重量，且增加了电池包内空间，使电池制造商或 OEM 可添加更多电池电芯，增加电芯节数和减轻重量双管齐下，有效延长续航里程。此外，无线 BMS 通过固有隔离节省元件成本，无需变压器、电容器或共模扼流圈即可实现隔离。

(三)电池容量和运行状况的高级估算

影响电池容量的因素：电池剩余电量的准确估算直接关系到剩余续航里程。电池电芯制造商提供的额定容量会随时间变化，温度升高、循环使用、放电模式深度和老化等都是导致电池容量衰减的重要因素。因此，持续准确估算电池容量对精确估算荷电状态至关重要。

CSU 的关键作用：电芯监控单元(CSU)在电池包内紧密运行，连接电芯监测器器件布线线束，确保高效回传重要电池包数据。通过 CSU 输出的诊断数据，可实现电池运行状况和荷电状态估算，直接影响系统安全目标。高精度监测器配合算法，为驾驶员提供精确估算，充分发挥每次充电效用。特别是随着 LFP 电池的兴起，其平稳放电曲线要求更精确的电芯电压测量数据，德州仪器(TI)的相关可堆叠电池监测器和电芯平衡器，能提供高精度测量和被动电芯均衡功能，助力更精确的运行状况和荷电状态计算。

(四)智能电池接线盒(BJB)架构

架构转变：器件创新推动 BMS 架构向智能电池接线盒(BJB)转变。传统 BJB 仅含机械部件，而智能 BJB 引入有源硅器件，执行高压监测、电流检测和绝缘检测等功能，这些功能传统上由 BCU 执行。

优势显著：智能 BJB 架构明确区分高压域和低压域，所有高压信号在 BJB 中直接测量，使 BCU 成为纯粹的低压设计。电池包监测器采用专有菊花链接口，支持分立式电容器隔离，无需昂贵的数字隔离器器件，菊花链通信还省去收发器等元件及额外 MCU，降低成本。将电池包监测器置于 BJB 中或周围，可立即访问高压信号，减少长导线连接回 BCU 的需求，提高系统效率和可靠性。

四、BMS 创新对提高电动汽车采用率的影响

(一)提升性能与续航

通过优化电池化学物质、采用无线 BMS 技术和更精准的电池容量估算，电动汽车的续航里程得到显著提升。以搭载先进 BMS 的理想汽车为例，其即将推出的车型搭载宁德时代 5C 麒麟电池组，能量密度高达 170Wh/kg，仅需 11 分钟就能完成 500 公里续航充电，大大缓解了用户的 “里程焦虑”。高性能的 BMS 确保电池在不同工况下都能稳定高效输出能量，提升电动汽车的动力性能和驾驶体验，使电动汽车在与传统燃油车的竞争中更具优势，吸引更多消费者选择电动汽车。

(二)降低成本

从电池成本角度，LFP 电池等低成本化学物质的应用以及无线 BMS 减少布线成本等创新，降低了电动汽车的制造成本。在使用成本方面，精准的电池管理延长了电池寿命，减少了电池更换频率，降低了用户的使用成本。例如，中车电动通过自研电池管理技术，提供电池全生命周期解决方案，降低了公交公司的运营成本。成本的降低使得电动汽车价格更具竞争力，扩大了目标消费群体，促进电动汽车的普及。

(三)增强安全性

BMS 的智能保护控制、绝缘监测以及固态电池等新技术应用，极大增强了电动汽车的安全性。在发生异常情况时，BMS 能迅速响应，切断电路，防止电池热失控等危险情况发生。如特斯拉等品牌，通过不断升级 BMS 的安全功能，提升了消费者对电动汽车安全性的信心。安全性的提升消除了消费者对电动汽车安全隐患的担忧，是提高电动汽车采用率的重要保障。

(四)适应多样化需求

不同应用场景对电动汽车的性能和功能需求各异。BMS 创新使得电动汽车能够更好地适应这些多样化需求。在公交、物流等领域，LFP 电池配合高效 BMS，满足了车辆对经济性和安全性的要求;而在高端乘用车领域，高能量密度电池和先进 BMS 则提供了长续航和高性能。例如，中车电动针对旅游市场推出的客车，通过优化 BMS 满足了车辆在不同运营场景下的需求。多样化的解决方案拓宽了电动汽车的应用领域，促进其在各个领域的推广应用。

五、结论

电池管理系统的创新在提高电动汽车采用率方面发挥着核心作用。通过在电池化学物质、无线技术、电池状态估算和架构设计等多个关键领域的创新，BMS 有效提升了电动汽车的性能、降低了成本、增强了安全性，并满足了多样化的市场需求。随着技术的不断进步和创新的持续推进，BMS 将进一步优化电动汽车的整体表现，使其在全球交通转型中扮演更为重要的角色，加速实现可持续交通的目标，让电动汽车真正成为未来出行的主流选择。