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蔚來(NIO-US)全戰略藍圖分析(五)電池技術之BMS

作者:幻翔靈空│2020-12-16 08:48:05│巴幣:0│人氣:176
二、端雲融合BMS(電池管理系統,Battery Management System)    

    電池的梯度利用是很多電動車跟電池製造商正在做的事,特斯拉在中國官網寫到:「出於環保和商業原因,相比回收再利用,延長電池組的使用壽命是一項優先選擇。

    因此,在報廢消費級電池組並做回收處理之前,Tesla會盡一切努力,延長每個電池組的使用壽命。

    Tesla分佈在世界各地的服務中心,可以處理不再滿足客戶需求的任何電池。

    我們報廢的鋰離子電池,均未做填埋處理,可100%回收利用。

    還因為不合德國電池回收法規,被德國政府罰款。

    JB Straubel,這位特斯拉原CTO離職後,創立的Redwood Materials就是做鋰電池的回收利用,已獲得亞馬遜(AMZN-US)
的投資。

    電池包的梯度利用,是電動車保有量上升後,有利可圖的生意。

    蔚能就是做這塊生意的公司。

    蔚能比起特斯拉做電池梯次利用,有獨特好處:換電

    不同於特斯拉,要車主到服務中心才能進行電池更換報廢,蔚來車主只要到換電站換電,就會拿到合格的電池包,有問題的會被選汰,車主不用為電池包使用壽命費心。

    為此,曾士哲說蔚來的BMS,在SoH(電池健康狀態,State of Health)與一般定義不同,不只看電容量,還要看用戶滿意度。

(一)個性化體驗

    什麼叫用戶滿意度?

    蔚來在BMS上面,找尋用戶敏感因子,針對用戶的用車習慣和環境,做個性化參數,目前已在100度電池包完成初步設定。

    未來每台車的電池包,會進行個體優化。

    有人喜歡運動化調教、有人就是日常代步,不同的駕駛習慣,對電池包的動力輸出跟耗電量有影響。

    生活在不同緯度的人,不同的溫度影響電池包續航很大。

    針對特定場景做優化,可以在同樣電量下,做到更長的續航,並且延長電池包的壽命。


    就像特斯拉的BMS,借由數據挖掘,透過更新軟體的關鍵參數,改善電池的續航。

    蔚來的100度電池包,在數據挖掘下,可以提升夏季續航10%、冬季續航7%和溫控效率30%,隨著數據越多,還能持續優化。

    為什麼要這樣做?因為蔚來接下來要跳過120度,直接攻克150度電池包。

基於換電站運營的考量

    蔚來想要讓換電站的電池規格簡單化,才會補貼客戶把84度電池包淘汰,之後換電站的電池包規格只有標準續航電池(70度三元鋰、75度三元鐵鋰)跟長續航電池(100度)。

    如果先開發120度,再開發150度,電池包規格又會變多,換電站分配各種電池包數量挺麻煩(84度電池包就是如此,使用的車主少,又不能沒有),要應付靈活升級,還需保留一部份的電池包冗餘,這都是運營成本

    規格太多,也會造成電芯產能的效率降低,效率降低又會使電池包成本上升,增加負擔。

    不如直接攻克150度電池包,效益最大。

    但150度電池包研發曠日廢時,在此之前的漫長等待,總不能什麼都不做。

    利用端雲融合的BMS,可以持續讓電動車的續航里程上升,讓用戶有感,更能利用電池包大數據反饋。

    蔚來的BMS不只有普通的直流內阻估算,還有電化學阻抗估算,電化學阻抗的變化更能顯示電芯的正常與異常,利用數據挖掘反饋給寧德時代,可以少走彎路,加快研發進程。

(二)BMS的大數據體系

    這是打通電池包梯池利用的核心技術。

    1.BLMS(全生命周期管理系統,Battery life management system)

    有三個數據庫,分別是電池相關數據、車輛相關數據和應用場景相關數據。

    什麼是應用場景?

    換電、倉儲和工廠產品下線等,不在車輛使用場景下的狀況。

    把三個數據庫打通做分析,可以看出每批次的不同,比如換電芯料、不同模組混料,電芯的特性會改變。

   這樣就能知道同一批次的狀態,可以做批次管理,精準定位各批次狀況,如果出問題,能針對特定批次回收電池包。

    2.BRMS(實時監控系統,Battry real-time monitoring system)

    主要對安全相關狀態跟事件進行監控和預測。

    透過售后服務團隊與換電,在異常發生前,把電池包先行處理,讓工程師可以在第一時間確認原因並且改進。

    這系統在蔚來發生電池自燃後,把召回的處理進程加快很多。

    蔚來也因為這次自燃召回,對BMS特別用心,尤其注重電池包安全性。

    很多監測跟安全措施需要付出成本,蔚來有慘痛經驗,願意付出更多成本,把電池自燃的可能性降到最低,並衍伸出第三個BMS大數據系統。

    3.BIT(電池問題終結者,Battery Issue Terminator)

    電芯、模組、電池包和車輛都有可能出問題,把問題輸入進大數據系統,讓系統自動找尋批次、將問題分門別類和探查問題的根源。

    希望能第一時間提前採取行動,幫用戶無痛解決問題。

    為什麼說這是打通電池包梯次利用的核心?

    BMS的意義是希望把化學、物理的內容透過算法將狀態數據化和透明化,唯有如此,才能對電池包的重要問題做出判斷,如衰減的原因、充電與續航的準確性、電池包安全的界定。

    過去對電池包這些資訊不了解,對不了解的東西,估價只能以最低價評估,也就是材料回收的價格。

    很多電池包離報廢還很遠,但因為缺失評估標準,為安全起見,只能以最差的價值回收。

    要做電池的梯度利用,對電池包的資訊,尤其是全生命周期的數據非常必要。

    蔚來是採分散式的BMS系統,可以針對個別模組做監控,也為之後的電池研發做準備。

(三)三元鐵鋰電池

    降本增效是每個企業的努力目標,蔚來自然不例外。

    在電動車中,電池占成本的大頭,因此從電池包下手,是降成本最快速有感的手段。

    1.研發進程

    使用磷酸鐵鋰(LFP)是電動車企的現在進行式,蔚來早已研發出68度的LFP電池包,不過LFP的SoC(State of Charge,電量狀態)估算不準、低溫續航血崩,這些問題沒解決,用戶體驗很不好,遭到李斌一票否決。

    LFP的問題是材料特質決定,難以更改,怎麼破局?

    把LFP跟三元鋰(NCM)電池混搭不就可以得到一個全方位電池?

    LFP的優點是便宜跟安全性高,NCM的優點是能量密度高、低溫表現較好,小孩子才做選擇,我全都要。

    這麼簡單的方法,其他車企不做,自然是有難題需要克服。

    兩種不同材料的電芯,電化學體系不同,導致自放電率、充放電模式與衰減幅度不同,要如何做到兩者同步,才是問題所在。

    蔚來是透過自身的BMS體系來解決問題。

    寧德時代一開始給蔚來的方案電芯如同夾心餅乾,NCM與LFP交錯排列,但如此做成本比單純用NCM還貴,不但沒省到還多虧錢,否決。

    曾士哲某天靈機一動,用一個NCM模組當SoC估算的標尺不就好了?

    有方向就好辦了,說幹就幹。

    忙了一陣子,SoC估算的問題已有解決方向,然而另一個低溫血崩的問題依然橫亙眼前,這道山不跨過去,李斌還是不會同意。

    電池包的溫度分布並不均衡,中間溫度較高,四個角溫度最低,蔚來利用自己的BMS做了多種三元鐵鋰組合測試,才決定用現在的方式,增加一些NCM盡可能保溫。

    最後的方案是LFP電芯104顆,NCM電芯14顆則分布在電池包的四個角落,還有隔熱材料與組裝工藝的改良,相較於LFP的低溫工況提升25%效率。

   接下來是算法優化的工作。

    2.雙體系估算法

    由於兩者的電化學體系不同,因此需要對兩者的SoC估算做匹配。

    主要有以下幾種情況:

    (1)初始設定

    NCM深度充放會對電芯造成不可逆傷害,因此滿充滿放皆以LFP為標準,NCM則當做三元鐵鋰的SoC標尺並且留有餘裕。

   通過LFP滿充滿放驗算SoC估算精度是否有所偏離。

    (2)主動均衡

    由於LFP在前期電芯衰減的速度大於NCM,勢必會使SoC估算失準,需要重新移動標尺,以算出新的SoC。

    之前NCM不是留有餘裕嗎此時正是派上用場之時。

    將充放兩端移動到新的平衡點,依然會保持容量一致,不過會產生新的問題,NCM電芯跟三元鐵鋰SoC的端點之間,可能會有空白,此段空白容易導致過度充放。

    過充過放會對電芯造成不可逆的傷害,嚴重時甚至會引發熱失控。

    蔚來怎麼解決?

    設置一個大功率的DC/DC(高低壓直流轉換器)做電池主動均衡,取長補短,做區間的動態調整。

    此時就要靠BRMS,利用算法估算電芯間的SoC差距,結合兩者的最優容量保持率、最優功率特性,將電能補充到匱乏的位置,背後依靠的是BMS雲端協同的複雜算法體系支持。

    透過這套複雜的算法,三元鐵鋰電池包的SoC估算精度接近NCM的3%誤差,相較於LFP的10%誤差,已經大幅改善估算精度。

    如果依然無法解決三元鐵鋰的SoC估算問題,需要對電池包進行深度充放重新估算,其他車企要回到4S店才能解決。

    蔚來只要電池包進入換電體系,利用換電站在充電時對三元鐵鋰進行重新估算,2代換電站有足夠的冗餘,有空間重新校準電池包的SoC。

(四)電池包退出流通

    當BMS檢測到電池包狀態不健康,由於電池包的SoC受到木桶效應影響(一個木桶的盛水量由最短的木板決定),決定電池包壽命是狀態最差的電芯。

    如果最差的電芯與其他健康電芯的均衡狀態差太遠(BMS會在充放電時做均衡,盡量平衡各模組狀態一致,避免過充和過放,能減少熱失控,延長電池包壽命),蔚來可以透過個別提醒換電把電池包換掉,退出流通。

    退出流通不是結束,而是開始,電池包的梯度利用就此展開。
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