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从电池供应案例到故障率,车企如何保证动力电池系统性能稳定?

2017-06-06 朱玉龙 阅读:
本文从多供应商产品管理角度来探讨车企对动力电池系统的管理问题,尤其是在整个车辆完整的生命周期里对这一问题的重要性和影响进行审视。

动力电池是电动汽车的关键部件,目前车企的动力电池及BMS系统大多靠外部采购,如此一来,车企面临的一个很重要的问题就是如何对供应商进行管理,其核心是如何对不同供应商来源的电池相关产品进行一致性管理,包括硬件的合并和模块化以及软件算法和数据分析等。这种管理直接影响电池的安全性、耐久性和动力性,也就直接影响电动汽车的安全稳定运行性能,同时,对汽车的售后维护也有非常大的影响。本文从多供应商产品管理角度来探讨车企对动力电池系统的管理问题,尤其是在整个车辆完整的生命周期里对这一问题的重要性和影响进行审视。vVBednc

第一部分 两类车企的电池供应案例

我们还是拿两个比较典型的案例来看这个事情,国外选通用、国内选北汽。vVBednc

1)通用汽车vVBednc

通用汽车在锂电池系统上做了很多的量产项目的尝试,把各种技术路线都尝试了一遍。如图1所示,通用公司的电动汽车有着不同的各种电池系统,搭配不同的电池单体,如图2所示。vVBednc

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图1 通用汽车电动化的电池系统vVBednc

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实际上对于通用而言,要很好地管理这些不同规格配置的电池系统是个挺麻烦的事情,因为各类电池单体差异性很大,不过好在通用旗下每一种车型都是由一个固定的供应商来做的。vVBednc

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图2 不同供应商不同类型的电池配合不同的需求vVBednc

如果我们认真看一下电池管理系统的配置情况,可能就更加复杂了,这里面既包含了完全集成的BMS主控,也包含了分布的BMS系统。通用的整个电动化团队其实是借用公司的EE硬件资源来完成电池电子的硬件开发,然后交由外部供应商生产,通用自己把主要精力放在了BMS的核心算法上面。我们可以看到动力电池系统的基本功能都是界定好的,而某些功能的具体配置、尤其是核心的功能配置,通用公司是自己主导完成的,如表2所示。而在这个过程里,通过对电池的寿命进行估计而调整的控制算法阈值,则是保证整个动力系统的售后的核心所在。vVBednc

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总体而言,通用之前更像是在各个方向以车型为单位考虑问题,每款车型有其相对个性化搭载的动力电池系统,所以基于旗下各类车型就配置了各种各样的系统,整个电动化业务在硬件上并没有考虑合并和模块化,而在软件上则采取了很多措施来确保电池的安全性能和使用寿命。vVBednc

2)北汽新能源vVBednc

国内企业拿北汽来举例,是有原因的。vVBednc

北汽的电池系统全部是面向纯电系统的

北汽的每款车型的电芯规格差异巨大,供应商也完全不同

北汽的电池管理系统也是由不同厂家开发供应的

当然北汽新能源汽车的动力电池系统的整装过程也是比较复杂的,为了符合不同的电池模块的要求,如图4所示,北汽特意设计了一整块安装板来固定BMS的子模块和主模块;通过购买硬件设计然后转移,在底层软件的基础上,叠加自己的对不同电池系统的配置来实现多供应商,多系统的管理。我们不知道北汽是如何通过热管理系统的设计、通过BMS管理系统的算法设计,顺利实现对一个车系/车型的多供应商的切换与管理的,从而满足多种车型的各类个性化需求。对动力电池系统的能否实现科学稳定的管理,尤其是在供应商比较多的情况下如何实现一致性管理,是关乎车企旗下电动汽车使用性能的,也牵涉到售后和维护成本。vVBednc

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图3 北汽新能源电池系统的供应商分解vVBednc

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图4 北汽的分布式电池管理系统示意vVBednc

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图5 整个软硬件是通过外部授权完成初步积累vVBednc

第二部分 售后和故障率

1)电池寿命估算vVBednc

仅就动力角度而言,我们最终要保证的是整个电池系统如何安全的度过保修期,在电池系统设计中,需要考虑使用时间、使用公里数、各类使用条件和使用环境下,电池系统各组件的耐久性表现。确保电池系统安全耐用的关键指标有两个:vVBednc

电池单体/系统在实验室的测试数据

电池系统在设定的循环情况下现场实地的表现

对这两个数据大的来源,需要建立一系列的模型,不停地纠正标准的寿命数据,然后以各种条件下的偏差来校核整个数据。虽然这个是一个离线的估计过程,其实也需要在BMS里面对电池寿命做差异化的考虑配置。从这个角度来看,为不同的供应商配置不同的性能参数管控其实是非常不容易的,再结合考虑寿命和耐久性方面的考虑,这基本就不是一个现实的做法。vVBednc

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图6 电池寿命估计vVBednc

2)BMS电池管理系统本身的寿命设计和故障率vVBednc

从电池管理系统来看,其实际的工作时间比较长的:vVBednc

1)电池管理单元运行时间,主要是车辆在行车状态时的时间vVBednc

2)电池管理单元充电时间:分快充和慢充,尤其以慢充的时间比较长vVBednc

3)电池管理系统待机时间:车辆在总线上的时间,或者在特殊的模式下运行的时间vVBednc

4)非运行时间:休眠状态vVBednc

所以整体来看BMS系统硬件的运行时间是挺长的,如果我们去一家车企看看它的数据库,售后问题排在前列的就是各种各样的BMS管理系统的质量问题。因此,我们非常有必要仔细评估整个硬件设计的失效率,从而评估其带来的售后成本。对车企而言,这不仅仅是一个动力系统软件算法需要抓在手里的问题,也是未来当产品处于寿命末期的时候,如果BMS出现问题,车企如何提供相关备件、提供到何种程度的问题,而且,BMS的软件控制方面的特性,也会直接影响继电器等相关电气器件的寿命和失效率。vVBednc

全文小结

1) 从软硬件的考虑,电池管理系统都是构成电动汽车售后成本的一个核心,它不仅仅涉及到大量车辆动力调教的修改,DTC和安全的设定,也会影响到后期批量性的售后问题。vVBednc

2)电池管理系统的技术需要从各个方向上去解读,不仅仅是精度和算法的先进性,也涉及到这个部件本身的质量水平、耐久性和设计的合理性。vVBednc

参考文件:vVBednc

1)Chevrolet Volt Battery:BATTERY 101vVBednc

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