BMS如何按照馬斯克第一性原理來(lái)設(shè)計(jì)？

現(xiàn)有的BMS基本上都屬于集中式或二級(jí)集中式架構(gòu)，在單串模組狀態(tài)下意味著BMS與電池已經(jīng)完全分離，在技術(shù)上無(wú)法支持，只有類似分布式架構(gòu)的弱耦合式BMS，即非定制化的標(biāo)準(zhǔn)部件多層級(jí)架構(gòu)體系有可能做到。

馬斯克的第一性原理因特斯拉電動(dòng)車的橫空出世而逐漸廣為人知，遺憾的是，雖然特斯拉整車的設(shè)計(jì)遵循了馬斯克的第一性原理獲得了成功，激勵(lì)了國(guó)內(nèi)廠商奮起直追，但是當(dāng)時(shí)備受業(yè)界推崇的BMS卻并沒有遵循第一性原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)BMS隨后的趨同設(shè)計(jì)使得電池包的種種問題一直困擾著整個(gè)行業(yè)。

目前國(guó)內(nèi)新能源車的主要問題還是在電池，主要是以下幾點(diǎn)：1.電池性能衰減或電量無(wú)法放出（有的電池還有電，但有的電池已經(jīng)沒電了）造成行駛里程縮短；2. 電池電量測(cè)量不準(zhǔn)造成剩余行駛里程預(yù)判不準(zhǔn)；3. 電池PACK生產(chǎn)與維護(hù)工作量大；4. 退役電池梯次利用難以開展。前兩個(gè)主要是電池/BMS性能問題，后兩個(gè)則是電池/BMS組合的架構(gòu)問題，實(shí)際上就是BMS的電路拓?fù)鋯栴}。

那么有人會(huì)問，為什么特斯拉的電池包好像沒有這些問題呢？這個(gè)要從兩個(gè)方向來(lái)分析。第一個(gè)比較明顯，就是電池的性能。特斯拉開始的電池都來(lái)自于松下的定制產(chǎn)品，本身一致性很好，再加上電池包容量很大，在高速公路上以每小時(shí)45英里的時(shí)速駕駛Model S，大約能開408英里。

而一般客戶一次開到?jīng)]電的概率很小，所以對(duì)電池的不一致性影響不大，這也是其BMS采用被動(dòng)均衡的原因。這點(diǎn)實(shí)際上得益于其產(chǎn)品定位策略，豪車不懼成本，解決了大部分客戶行駛里程縮短和剩余里程不準(zhǔn)的問題，實(shí)際上是用戶輕易開不到滿里程狀態(tài)，避開了不良體驗(yàn)。

反觀國(guó)內(nèi)，受制于價(jià)格成本，電池性能本來(lái)就無(wú)法與松下相比，容量也無(wú)法向特斯拉看齊，然后又有特斯拉在前借鑒有樣學(xué)樣，結(jié)果人家避開的坑我們就踩上去了。其次從公司對(duì)自身在產(chǎn)業(yè)鏈中的定位對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響這個(gè)角度來(lái)分析，特斯拉首先是一個(gè)電動(dòng)車公司，但是是一個(gè)類似蘋果的垂直封閉體系的電動(dòng)車公司。因?yàn)槭讋?chuàng)采用幾千個(gè)18650的電芯組合成動(dòng)力電池組，沒有同類產(chǎn)品可以借鑒，所以特斯拉必須在一開始就只能自己設(shè)計(jì)BMS，其BMS與電池組深度耦合，完全定制化。憑借其當(dāng)時(shí)獨(dú)到的熱管理系統(tǒng)，其電池包可靠性也確實(shí)不錯(cuò)。

至于電池梯次利用的問題，我們還要看到，特斯拉對(duì)自己的定位不僅僅是一個(gè)電動(dòng)汽車公司，更是一個(gè)能源公司。特斯拉在2016年底收購(gòu)了美國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)商SolarCity，使自身成為全球唯一垂直整合的能源公司，向客戶提供包括電池、電動(dòng)車、Powerwall能源墻、太陽(yáng)能屋頂?shù)榷说蕉说那鍧嵞茉串a(chǎn)品，這些產(chǎn)品形成了一個(gè)閉環(huán)，所以看起來(lái)特斯拉是試圖將梯次利用問題在其體系內(nèi)部解決。

近日，《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》由多部局聯(lián)合發(fā)布，退役動(dòng)力電池梯次利用的問題被官方提到臺(tái)面?，F(xiàn)狀是從今年開始電池進(jìn)入規(guī)?；艘?，預(yù)計(jì)到2020年累計(jì)超過(guò)24GWh，但是業(yè)內(nèi)尚無(wú)準(zhǔn)備，主要問題就是技術(shù)能力不足，電池全生命周期管理無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這其中的關(guān)鍵就是BMS。電池在到梯次利用的環(huán)節(jié)時(shí)，電池組會(huì)被拆開重組，在此過(guò)程中，原有的BMS會(huì)與電池完全分離，以往的數(shù)據(jù)在云端全無(wú)價(jià)值，大規(guī)模的重新一一標(biāo)定工作量不可想象。

即使有電池編碼系統(tǒng)也用不上力，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移未必會(huì)跟上電池所有者的轉(zhuǎn)移。而且鑒于目前BMS與電池組的強(qiáng)耦合關(guān)系，在重新成組后因?yàn)榇當(dāng)?shù)容量的改變還需要再次定制新的BMS，這大量的工作和成本梯次利用的企業(yè)肯定不愿承擔(dān)，更何況這樣一來(lái)成本很大概率會(huì)超過(guò)新電池模組，這也是目前按說(shuō)順理成章最該使用退役電池的儲(chǔ)能卻使用新電池的原因。

既然馬斯克利用第一性原理取得了諸多成功（除了特斯拉，還有SpaceX，最近獵鷹重型的發(fā)射回收也是這一理論的典型應(yīng)用），我們不妨向成功者學(xué)習(xí)，按照馬斯克的第一性原理，BMS應(yīng)該如何設(shè)計(jì)？

先來(lái)看第一性原理的主旨。第一性原理的主旨是要想獲得一個(gè)問題的正解，需要從一個(gè)或幾個(gè)最基本確認(rèn)無(wú)疑的條件出發(fā)進(jìn)行邏輯推演，不要受同類橫向比較和經(jīng)驗(yàn)的影響，最后得出的結(jié)論或會(huì)與你的經(jīng)驗(yàn)矛盾，或會(huì)與現(xiàn)在的方案截然不同，但是別猶疑，那就是正確的方向。比如傳統(tǒng)電池組，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)平均價(jià)格是600美元/千瓦時(shí)，馬斯克通過(guò)第一性原理發(fā)現(xiàn)，如果從倫敦金屬交易所購(gòu)買鋰電池組的原材料組合在一起，只需要80美元/千瓦時(shí)，所以特斯拉在2013年開始自己建立了電池廠。

那么目前BMS可以確認(rèn)無(wú)疑的基本條件有哪些呢？一是要完成的常規(guī)功能，各種數(shù)據(jù)檢測(cè)和容量均衡等；二是要做到全生命周期管理，要能夠應(yīng)對(duì)所管理對(duì)象----電池組的形態(tài)性能參數(shù)改變所造成的種種問題。第一項(xiàng)服從于第二項(xiàng)，也就是說(shuō)，要在首先滿足第二項(xiàng)的前提下再滿足第一項(xiàng)。這樣一來(lái)，其功能設(shè)計(jì)就排在第二位，產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)也就是電路拓?fù)鋯栴}是需要首先考慮的。梯次利用，需要將退役的電池組打散重組。

那么，打散到哪個(gè)地步再重組才是合適的呢？這是個(gè)需要優(yōu)先確定的問題。如果打散到電芯單體再分容測(cè)試重組，理論上很完美，把舊電芯像新電芯一樣再走遍流程組裝成電池組，但成本無(wú)法接受；打散到單串電池模組（多個(gè)電芯單體并聯(lián)而成的單串大容量電池）看來(lái)是唯一的合理選擇，工作量小。其可行條件是1.在拆解成單串電池模組狀態(tài)時(shí)需要在本地而不是云端知道該單串模組的滿電SOC/SOH數(shù)據(jù)，這需要有部分BMS組件和單串模組保持一體化； 2. 同類SOH、滿電狀態(tài)下SOC參數(shù)接近的單串模組經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組成新的電池組后要能快速完成BMS安裝，最少化甚至無(wú)需人工重設(shè)參數(shù)。

現(xiàn)有的BMS基本上都屬于集中式或二級(jí)集中式架構(gòu)，在單串模組狀態(tài)下意味著BMS與電池已經(jīng)完全分離，在技術(shù)上無(wú)法支持上述兩點(diǎn)，只有類似分布式架構(gòu)的弱耦合式BMS，即非定制化的標(biāo)準(zhǔn)部件多層級(jí)架構(gòu)體系有可能做到。

推論更進(jìn)一步，我們需要的BMS與分布式類似，BMS由幾種不同層級(jí)的部件組成。首先單串模組上要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件，暫時(shí)定義為單串模塊，單串模塊在第一次安裝后就與單串模組合體不再分離。單串模塊通過(guò)總線連接，總線最后接入外部的一個(gè)主控部件。這是一個(gè)兩級(jí)的分布式架構(gòu)。如果電池組串?dāng)?shù)多，就需要一種三級(jí)類分布式架構(gòu)，將整組電池分為幾個(gè)多串模組（多串模組的串?dāng)?shù)可能不同）來(lái)處理。單串模塊仍是第一層級(jí)，第二級(jí)控制部件（驅(qū)動(dòng)器）處理本多串模組，同時(shí)多個(gè)第二級(jí)控制部件也通過(guò)總線接入最后主控部件（控制器）。

積木式BMS示意圖

這是一個(gè)三級(jí)架構(gòu)的示意圖。圖中電池單體就是指單串電池模組，分電池組即多串模組，模塊即單串模塊，驅(qū)動(dòng)器即第二級(jí)控制部件，控制器即總控部件。單串模塊可以滿足第一個(gè)條件，數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，在拆成單串模組狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)可以在本地讀出；通過(guò)總線連接不同層級(jí)部件可以滿足第二個(gè)條件，快速安裝。架構(gòu)的設(shè)計(jì)看似不錯(cuò)，但實(shí)際上它還需要各部件電路功能上的支持，如果功能上達(dá)不到，架構(gòu)設(shè)計(jì)再理想也是枉然。下面嘗試推論下各個(gè)部件的功能要求。

首先看單串模塊。電池組被重組，順序被打亂后單串模塊需要自動(dòng)重新定序。模塊是標(biāo)準(zhǔn)件，上面無(wú)地址設(shè)定，但可以通過(guò)總線與驅(qū)動(dòng)器通訊設(shè)定，或再與控制器通訊設(shè)定。模塊是標(biāo)準(zhǔn)件的好處是生產(chǎn)組裝和維護(hù)時(shí)方便，梯次利用的重組可以看做是一種特殊的維護(hù)，一旦電池組與BMS安裝完畢開始工作，則會(huì)自動(dòng)定序，避免了人工定序的不可靠性。模塊可以完成被動(dòng)均衡功能。

總線可以讓組裝簡(jiǎn)單，無(wú)論是第一次還是后面的梯次。從物理形態(tài)上來(lái)講，總線就是電線，即使長(zhǎng)度有差別，制備也很容易，也可以算是標(biāo)準(zhǔn)件。因?yàn)橛型ㄓ嵐δ埽偩€與模塊的關(guān)系是模塊都并聯(lián)在總線上，這種并聯(lián)關(guān)系比電池管理專用IC的菊花鏈方式要來(lái)得簡(jiǎn)單也更可靠。

考慮到文章開頭提到的電池的第一個(gè)問題，性能衰減或電量放不出，這個(gè)需要改善電池的不一致性，需要主動(dòng)均衡功能。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡已經(jīng)爭(zhēng)論了很久，其實(shí)這兩種方式暗含了不同的邏輯：被動(dòng)均衡潛在邏輯是電池非常完美，即使是最差的電池性能也是足夠好的，所以就按最差電池的性能來(lái)使用就可以了；主動(dòng)均衡的潛在邏輯是承認(rèn)電池不完美，有差異，而且隨著使用時(shí)間增加而增加，所以需要主動(dòng)改善電池的不一致性。

當(dāng)然，主動(dòng)均衡并不是瞎均衡，而是要真正找到能量低的電池，這個(gè)關(guān)系到軟件算法。主動(dòng)均衡如果實(shí)現(xiàn)比較理想的話，還可以降低第二個(gè)問題的算法難度。如果電池都是均衡的，我們實(shí)際上可以把整組電池當(dāng)做一串電池來(lái)看待，剩余電量的計(jì)算量大大降低，準(zhǔn)確性大大提高。要完成主動(dòng)均衡功能，總線必須傳遞能量。這里總線可以有兩種設(shè)計(jì)方式，一種是分為通訊總線和能量總線，一種是通訊和能量合二為一，類似電力載波。雖然說(shuō)起來(lái)容易，無(wú)論是哪種方式在這種架構(gòu)下都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

驅(qū)動(dòng)器也必須是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件。因?yàn)槭翘幚聿煌姆纸M電池，驅(qū)動(dòng)器必須知道自己這個(gè)分組在整組中的順序，這和模塊的定序一個(gè)意思，可以通過(guò)內(nèi)部總線與控制器通訊設(shè)定。因?yàn)榉纸M串?dāng)?shù)可能不是均分，驅(qū)動(dòng)器還需要知道自己的分組電池串?dāng)?shù)。如果是主動(dòng)均衡，分組還帶來(lái)一個(gè)問題，即組間如何均衡，內(nèi)部總線的功能與連接模塊的總線功能類似，這里也是一個(gè)難點(diǎn)，尤其是需要分組的電池串?dāng)?shù)肯定多，電壓高，處理起來(lái)難度更大。

控制器相對(duì)比較簡(jiǎn)單，完成一些測(cè)量計(jì)算、外部控制和與上層控制單元的通訊功能，其中電池參數(shù)的算法應(yīng)該是重中之重，在低層級(jí)部件都是標(biāo)準(zhǔn)件的情況下，這里可能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異性的發(fā)揮所在。

如果以上架構(gòu)成立，各部件功能尤其是主動(dòng)均衡功能也能實(shí)現(xiàn)，其實(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，是真正的組合連接的可標(biāo)準(zhǔn)化，而不只是尺寸容量的標(biāo)準(zhǔn)化。在電動(dòng)車周期中，換電模式就可以跨企業(yè)進(jìn)行，電動(dòng)車的商業(yè)模式也會(huì)出現(xiàn)嶄新的變化。其實(shí)這有點(diǎn)類似軟件平臺(tái)，底層的驅(qū)動(dòng)和基本組件標(biāo)準(zhǔn)化，上層的應(yīng)用才會(huì)更順利實(shí)現(xiàn)多樣化。

但是，以上都還只是一個(gè)粗糙的思想實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)推演，基本的功能實(shí)現(xiàn)原理都未曾涉及，更不要說(shuō)太多的細(xì)節(jié)。從分析過(guò)程看出，要想實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組的全生命周期管理，難題多多，路遠(yuǎn)且長(zhǎng)。這里拋磚引玉，希望能早見真章。