電動汽車BMS(電池管理系統)基礎知識及產業化情況分析

一.BMS系統概述

電動汽車上的三電：電池、電機、電控技術是電汽動車最核心的技術。因為這三項技術與電動車的續航里程、加速性能等息息相關。就像木桶原理一樣，這三項技術其中的任何一塊存在短板都會直接影響車輛的性能表現。

三電技術中電池和電機對電動車性能的影響比較明顯。比如電機的功率大小影響車輛的動力表現，而純電動汽車的續航里程則主要取決於動力電池的存儲能力。但是同為三電系統中的電控技術，在電動車中的具體技術應用是怎樣的，為什麼能與電池和電機相提並論在三電系統中佔有一席之地呢?

電控中最核心的功能就是電池管理系統(Battery management system)簡稱BMS。要是沒有這個系統，動力電池的充放電、使用壽命都會大打折扣，如果把電池看作是一隊參戰士兵的話，BMS系統就是這群士兵的參謀加將軍，讓電動汽車在實際應用中達到事半功倍的效果。

電動汽車通過BMS能夠控制和管理電池更加有效率，每一個電池工作在可運行的區間範圍內，避免電池的過充過放和熱失控問題發生。單個電芯的容量比較低，需要很多個電芯集成成模組、一個電池系統包含多個模組。通常一個電池系統中包含上百個，甚至上千個電芯。如何保持電芯工作在合適的區間內，BMS發揮著重要的作用。

2013年以來電動汽車特別是純電動汽車起火事故頻發，導致消費者對電動汽車產生了安全疑慮。同HEV相比，PHEV和BEV的電池系統結構較為複雜，對電池續航力與安全性的要求更高，必須配套更加成熟可靠的BMS。因此，電池管理系統行業將隨電動汽車市場的擴大而受益。

二.BMS系統的作用

BMS屬於電池包一部分，電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過金屬材質的殼體包絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過熱管理設計與模擬優化電池包熱管理性能，電器部件及線束實現了控制系統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。

BMS功能為監視電池狀態，建立電池狀態、保護電池、上報數據、均衡等。BMS在整車中主要任務有：

1、保護電芯和電池包不受到損害；

2、使電池工作在合適的電壓和溫度範圍內；

3、在保持電池在合適的條件運行後，滿足整車的需求

三.BMS系統工作原理

不管車輛使用的是哪種鋰離子電池，動力電池都是由一個個小的電池單體通過串、並聯的方式組成電池組，再由電池組最終組成車輛的動力電池單元。

而在電池組中真正發揮儲能作用的是電池組中每一個小小的電池單體，例如特斯拉使用的18650鋰離子電池，其數字代表的是每一個電池單體的規格：直徑為18mm，長度為65mm。一輛85kW?h版本的Tesla Model S搭載的動力電池單元由接近7000節18650鋰電池構成。

一輛汽車上有如此多的電池單體，每一個小的電池單體都是單獨製造的。並且由於電池的電化學特性的原因，二次鋰離子電池出廠後的儲能一致性是存在差別的。充電時又是從一個充電口來為所有電池充電，如何保證每一個電池都充滿電，並且又不會因為過度充電對電池造成損害呢？這就是BMS系統要解決的問題了。

通常情況下，BMS系統都要通過兩部分來確定如何管理電池組，就是檢測模塊和控制模塊。

檢測模塊的實現相對簡單一些，主要是通過感測器收集電池在使用過程中的參數信息比如：溫度、每一個電池單體的電壓、電流，電池組的電壓、電流等。這些數據在之後的電池組管理中起到至關重要的作用，可以說如果沒有這些電池狀態的數據作為支撐，電池的系統管理就無從談起。

根據收集到的數據，BMS系統就會根據每一個電池單體的實際情況來分配如何為電池充電，哪一個電池單體已經充滿可以停止給它充電等。並且在使用過程中，通過狀態估算的方式確定每一顆電池的狀態，通過SOC(State Of Charge)、SOP(State Of Power)、SOH(State of Health)以及均衡和熱管理等方式來實現對電池的合理利用。

這個過程說起來簡單，但這些才是BMS系統的精華所在，也是各個BMS廠家最希望攻克的技術難關。

目前電池管理系統有主動式均衡和被動式均衡兩種管理模式。兩種管理模式各有優缺點，所採用的方式普遍為採集單體電池電壓，串聯電流，以及溫度以及電池組的電壓，然後將這些信號傳給運算模塊進行處理髮出指令，最後將整個處理的信息指令通過CAN通訊系統傳送給汽車中央控制單元或整車VMS系統。

國內主流車用BMS廠家都有被動均衡技術，而且其中絕大部分都有主動均衡技術儲備。在廠家給的配置單上，主動均衡是一個「選配」功能。被動均衡的BMS裝機量較大，佔據新能源汽車市場較高的份額，遠遠高於主動均衡BMS的市場份額。國內的新能源汽車主要是中低端產品，考慮到成本及配置需求方面，被動均衡相對較易接受。隨著新能源汽車產品的向高端發展，對BMS的要求也越來越高，主動均衡技術將成為未來的發展趨勢。

由於汽車電氣化的水平發展，乘用車用電池管理系統，未來可以在低壓啟動電池(12V&48V)和高壓HEV電池(1kwh~1.5kwh)和PHEV電池(4～18kwh)和BEV電池(20～85kwh)等電池系統裡面看得到。

低壓系統和高壓系統差異很大。電池系統差異在各個車廠和各個應用平台之間都比較大，各個企業有自己的風格，應該說未來各家車廠設計理念的演變，使得高壓電池系統是有一定的相似性的。

四.BMS系統構型

電池管理系統有三種不同的構型，我們可以稱為集中式管理系統、半分散式管理系統和分散式管理系統。

1、集中式管理系統(大BMS方式)

這種管理架構，是將所有的採集單體電壓&電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，由整車控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結構。這樣做的優點，是相對而言比較簡單，成本較低，由於採集備份在同一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點當然是很明顯的，單體採樣的線束比較長，導致採樣導線的設計較為複雜，長線和短線在均衡的時候導致額外的電壓壓降;整個包的線束排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方沒法保證，只能適用於較小的電池包。

2、分散式管理系統(BMU+多個CSC方式)

這種是將電池模組(模組和CSC一配一的方式)的功能獨立分離，整個系統形成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)、S-Box繼電器控制器和整車控制器，三層兩個網路的形式。典型的應用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。

優點是可以將模組裝配過程簡化，採樣線束固定起來相對容易，線束距離均勻，不存在壓降不一的問題;如後面分析的那樣，當電池包大了以後，這種模式就很有優勢了。缺點是成本較高，需要額外的MCU，獨立的CAN匯流排支持將各個模塊的信息整合發送給BMS，匯流排的電壓信息對齊設計也相對複雜。這種方案系統成本最高，但是移植起來最方便，屬於單價高開發成本低的典型，電池包可大可小。

3、半分散式管理系統(BMU+少量大CSC方式)

簡單一些來說，這就是兩種模式的妥協，主要用於模組排布比較奇特的包上，典型的應用如Smart ED和Volt。這是一種是將電池管理的子單元做的大一些，採集較多的單體通道，這樣做的好處是整個系統的部件較少，但是需要注意的是這種方式優勢不太明顯，主要是部件不少而且功能集中度也高一些，是三種方案裡面成本較高的方案。

五.BMS成本情況

電池管理系統（BMS）在電池組中成本佔比較高，價格還較為昂貴。BMS價格與電芯的類型、電量、電壓等有關，通常來講，不計算PACK，每輛車BMS價格在3000-20000元，客車電池容量大，電壓等級高，BMS較貴。乘用車和專用車電壓等級較低，價格也相關便宜。通過測算，2016年新能源汽車BMS約有70億元市場規模，到2020年，將超過150億元。

電池管理系統（BMS）的價格與電池組中的單體數量正相關，電池管理系統（BMS）佔據電池組總成本的30%。考慮到BMS的電路板和晶元設計尚處於初級階段，而後期產品的複雜程度、更新換代速度和量產規模都將逐步提升，因此預計主流的電池管理系統（BMS）價格將呈現緩慢下降的趨勢，可在2020年下降至目前的60%左右。

六.BMS市場情況

隨著國內經濟的發展，電池管理系統市場發展面臨巨大機遇和挑戰。在市場競爭方面，電池管理系統企業數量越來越多，市場正面臨著供給與需求的不對稱，電池管理系統行業有進一步洗牌的強烈要求，但是在一些電池管理系統細分市場仍有較大的發展空間，信息化技術將成為核心競爭力。

電池管理系統（BMS）市場規模將與動力、儲能領域的鋰電池同步擴張，2013年全球電池管理系統（BMS）市場產值成長逾10%，2014年至2016年成長幅度將大幅躍升至25-35%。預測電池管理系統（BMS）需求市場將在2020年達到360 億元以上，是目前市場容量的160倍。

現階段不論是整車廠、電池廠、還是相關車電零組件廠均投入電池管理系統（BMS）研發，以求掌握電動車產業的關鍵技術，由於車廠是電池管理系統的使用者，車廠多偏好使用本身的軟體處理，並以專門的廠規控管，以維持操作彈性。

電池管理系統（BMS）產業發展可能類似鋰電池，車廠為掌握關鍵技術，會與長期合作供貨商密切合作產品開發，對新進廠商切入難度高。因此，未來新進廠商欲切入車廠供應鏈，除與相關供應鏈強化合作關係外，針對需求打造客制化方案，才有機會搶得先機。

七.BMS製造商狀況

早期的電池管理系統有：德國1991年開始設計的BADICHEQ和BADICOaCH系統，美國通用汽車EV1使用的電池管理系統，美國AC Propulsion 公司開發的名為BatOPt的高性能電池管理系統。

對於BMS的技術，目前各大晶元廠家都推出了自己的解決方案，以及針對性的底層晶元，供廠家進行二次開發。常用的主流方案以及晶元有這麼幾個大的廠商：TI(德州儀器)、ST(意法半導體)、ADI(亞德諾)、ATMEL(艾特梅爾)、Infineon(英飛凌)、Intersil(英特矽爾)、Linear(凌力爾特)、Maxim(美信)等廠家。國內的BMS企業都是在此基礎上進行二次開發，包括硬體設計，軟體的搭建等。在很多年前這些廠家都已經進行過方案的驗證和模擬。

BMS作為新能源汽車核心部件，產業鏈各環節的主體均有參與布局，總體來看，中國BMS市場參與者主要有三類：

1）動力電池企業：目前國內第一梯隊動力電池企業均涉足，且大多是「BMS PACK」模式，掌握了動力電池電芯到電池包的整套核心技術，具有較強的競爭實力。代表企業有BYD、CATL、中航鋰電、國軒等。

2）整車企業：整車企業對電芯的參與較少，一般通過兼并購、戰略合作等方面進入，而BMS則為大的企業重點考慮的領域。國內如長安、北汽、吉利等車企均有專門的研發團隊進行BMS的研發，除了核心技術的掌握外，在成本和效率方面較其他企業有較強的競爭力。

3）專業第三方BMS企業：目前國內第三方BMS企業仍佔據主要位置。一部分由動力電池BMS企業，另一部分是傳統數碼電池及BMS企業轉型而來。相對來講，作為專業的第三方BMS企業，技術積累有天然的優勢。目前這類企業參與者眾多，但技術相差較大，國內處於競爭前列的企業主要有科列技術、億能電子、冠拓、力高新能源、華霆動力、上海妙益等。

國內最早主要是一些高校依託自己的科技優勢聯合一些大的汽車和電池生產商進行了一些研究工作，清華大學為EV-6568輕型電動客車配套了電池管理系統、同濟大學和北京星恆合作開發了鋰離子電池管理系統、春蘭研究院開發了HEV-BMS系統、北京理工和北方交通大學等依託國家863計劃電動汽車重大專項子課題，也開發了有特色的電池管理系統。隨著電動汽車市場的啟動，許多商業化的產品都獲得了大批量的應用。

新能源汽車市場起步階段，電芯企業及整車企業開始在BMS領域進行技術儲備，2014年以前參與者大多為專業的第三方BMS企業。隨著新能源汽車市場的爆髮式增長，電芯及整車為了掌握這一核心技術，逐漸進入該領域。我們判斷，短期內第三方BMS企業將仍為市場主流。從長遠來看，整車廠和電池企業將逐漸滲透，行業將會有一輪整合潮，市場集中度將會提升。未來第三方的BMS企業將會面臨較大的競爭壓力。

我國目前涉及到BMS企業有近百家，市場競爭激烈。從企業分布來看，BMS企業主要分布在廣東及長三角地區，佔比約60%。技術上企業兩極分化嚴重，且大多數企業處於同質化競爭階段，徘徊在中低端市場。