如果把電芯比作人體的心臟，模組和電池包比作強(qiáng)健的體魄，那么整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)要平穩(wěn)運(yùn)行，還需要一個(gè)支配身體的智慧大腦，那就是BMS。

　　電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡稱BMS）是連接電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶，其精準(zhǔn)的控制和管理為電池的完美應(yīng)用保駕護(hù)航。

　　“龍生九子，各有不同”。即使同一批次生產(chǎn)的兩個(gè)單體電芯，因生產(chǎn)工藝誤差、使用環(huán)境差異等，其性能也不可能完全一致；在使用過程中這種不一致性會逐漸擴(kuò)大，可能會出現(xiàn)過充、過放和局部過熱的危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)影響到電池組的使用壽命和安全。

　　這時(shí)就需要BMS大顯身手。

　　那么問題來了，BMS主要做什么？

　　關(guān)于BMS的功能，行業(yè)內(nèi)關(guān)于其分類方式不盡相同。不過從用戶的角度來理解，可大致劃分為兩大功能——“電池體檢”和“安全衛(wèi)士”。

　　即時(shí)體檢

　　精準(zhǔn)掌握電池狀態(tài)

　　即時(shí)“體檢”，指的是電池?cái)?shù)據(jù)采集和狀態(tài)評估。

　　數(shù)據(jù)采集，可簡單理解為給電池做例行的“體檢”；在充放電過程中，實(shí)時(shí)采集電池組中每塊電池的端電壓、溫度、充放電電流及總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。

　　這種“體檢”是在線的、持續(xù)的、不間斷的。過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，可及時(shí)查詢對應(yīng)電池狀況，并挑選出有問題的電池，從而保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性。

　　工程師在采集數(shù)據(jù)，觀測車輛在充電狀態(tài)下的電流、電壓、SOC的變化

　　寧德時(shí)代掌握業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高精度測量技術(shù)，總流總壓精度可達(dá)千分之五；采樣數(shù)據(jù)精度很高，通過實(shí)時(shí)了解電池真實(shí)工作狀態(tài)，及時(shí)做出判斷與修正。

　　“體檢”結(jié)束之后，會進(jìn)入分析、診斷、計(jì)算的階段，之后生成“體檢報(bào)告”，這個(gè)過程可以理解為電池的狀態(tài)評估。

　　這時(shí)，我們需要了解一個(gè)行業(yè)的常用術(shù)語——SOC。

　　何為SOC？

　　電池組的荷電狀態(tài)(StateofCharge，即SOC)，即電池剩余電量。SOC是判斷電池過充及過放等一系列故障的基礎(chǔ)，精確的估算SOC，可防止電池過充和過放，延長電池的使用壽命，從而提高電池的利用率。

　　其實(shí)，除了SOC估算，還有SOH（StateofHealth），SOP（StateofPower），用戶可通過車上儀表顯示，看到這些數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)電池的工作、功能狀態(tài)。據(jù)此，在保護(hù)電池的基礎(chǔ)上，將潛力發(fā)揮最大化，大大提升駕乘體驗(yàn)。

　　因此SOC等數(shù)據(jù)估算的準(zhǔn)確與否，就顯得特別重要。估算不準(zhǔn)帶來的后果，有可能是汽車拋錨、與預(yù)期的行駛里程數(shù)不符等。

　　車輛正在進(jìn)行快充實(shí)驗(yàn)時(shí)，SOC顯示52%

　　舉個(gè)例子，滿電情況下續(xù)航里程為400公里的車輛在道路行駛。若估算準(zhǔn)確，當(dāng)SOC顯示為10%時(shí)，還可能行駛的里程是40公里；若估算不準(zhǔn)，SOC達(dá)到15%，則用戶以為的里程為60公里，事實(shí)上可能在行駛40公里之后，就已經(jīng)沒電了。很顯然，對于用戶來說，這樣的情況很糟糕。

　　關(guān)于電池狀態(tài)的估算，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的計(jì)算。寧德時(shí)代掌握了精確的核心算法，通過基于電池參數(shù)的估算方法，有效消除累積誤差的影響，估算更精確。NCM估算精確度在3%，LFP在5%左右。

　　“安全衛(wèi)士”

　　保護(hù)電池及人身安全

　　BMS還有另一大核心功能，就是“安全衛(wèi)士”。其實(shí)就是保護(hù)的作用，這包括電池的自我保護(hù)和人身安全的保護(hù)。

　　眾所周知，電池過充、過放會帶來局部過熱，影響電池壽命不說，嚴(yán)重時(shí)會威脅到電池組的安全，進(jìn)而引發(fā)人身安全隱患。這時(shí)，BMS的“充放電管理”模塊就開啟了保護(hù)職能，一方面與整車、充電機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，另一方面實(shí)時(shí)提供電池狀態(tài)，便于及時(shí)發(fā)出指令控制，有效防止高充、低放的發(fā)生。

　　在保護(hù)電池的模塊，均衡也是很重要的一環(huán)，是保護(hù)并提升電池壽命的必要手段。另外，電池的保護(hù)還包括過壓、欠壓、過溫、過流等的保護(hù)。簡單來說，當(dāng)實(shí)際參數(shù)高于或低于某約定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)做出判斷，并采取斷開、預(yù)充等方式保護(hù)電池安全。

　　在人身安全方面，BMS通過高壓控制的手段來保護(hù)。電池高壓可達(dá)300-500V，遠(yuǎn)超人體安全電壓36V，風(fēng)險(xiǎn)隱患極大，必須做好高壓控制，最常見的就是繼電器、高壓互鎖、絕緣防護(hù)。周全的高壓防護(hù)控制，可有效保護(hù)司機(jī)、乘客和維護(hù)人員的人身安全。

　　提到安全，就不得不提功能安全了。寧德時(shí)代始終以做世界第一安全電池為發(fā)展目標(biāo)，是業(yè)內(nèi)率先進(jìn)入功能安全領(lǐng)域，同時(shí)最為完善的電池企業(yè)。

　　在整個(gè)平臺開發(fā)過程中，BMS嚴(yán)格遵守并滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)豐富，先后在寶馬、大眾及PSA項(xiàng)目中進(jìn)行了功能安全管理及開發(fā)；功能安全逐步形成寧德時(shí)代的代差優(yōu)勢，也獲得了更多國內(nèi)外整車廠的認(rèn)可。

　　在設(shè)計(jì)階段，寧德時(shí)代力求實(shí)現(xiàn)ASIL：D級別目標(biāo)。如何理解？

　　ISO26262標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)程度，劃分由A到D的安全需求等級（AutomotiveSafetyIntegrityLevel，ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。等級越高，對系統(tǒng)的安全性要求越高，為實(shí)現(xiàn)安全付出的代價(jià)越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開發(fā)流程越嚴(yán)格，相應(yīng)的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長，技術(shù)要求越嚴(yán)格。鋰電池作為新能源被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和汽車。近年來，國家對新能源產(chǎn)業(yè)大力扶持，國內(nèi)外許多相關(guān)的企業(yè)和研究所加大投入，不斷研究新材料提高鋰電池的各方面性能。而鋰電材料及相關(guān)的全電池、半電池、電池組被投產(chǎn)應(yīng)用之前需要經(jīng)過一系列的檢測。下面就由我總結(jié)一下鋰電材料常用的幾種測試手段。

　　1.掃描電鏡（SEM）

　　由于電池材料的觀察尺度在亞微米即幾百納米到幾微米的范圍，普通光學(xué)顯微鏡無法滿足觀察的需求，而更高放大倍數(shù)的電子顯微鏡則經(jīng)常被用來觀察電池材料。

　　掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。掃描電子顯微鏡可以觀察到鋰電材料的粒徑大小和均勻程度，以及納米材料自身的特殊形貌，甚至通過觀察材料在循環(huán)過程中發(fā)生的形變我們可以判斷其對應(yīng)的循環(huán)保持能力好壞。如圖1b所示，二氧化鈦纖維具有的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能提供良好的電化學(xué)性能。

　　1.1SEM掃描電鏡原理：

　　如圖1a所示，SEM是利用電子束轟擊樣品表面，引起二次電子等信號的發(fā)射，主要利用SE并放大、傳遞SE所攜帶的信息，按時(shí)間序列逐點(diǎn)成像，顯像管上成像。

　　1.2掃描電鏡的特點(diǎn)：

　?、艌D象立體感強(qiáng)、可觀察一定厚度的樣

　?、茦悠分苽浜唵?，可觀察較大的樣

　?、欠直媛瘦^高，30~40？

　?、缺堵蔬B續(xù)可變，從4倍~~15萬

　?、煽膳涓郊?，進(jìn)行微區(qū)的定量、定性分析

　　1.3觀察對象：

　　粉末、顆粒、塊狀材料都可以測試，測試前除保持干燥外，不需要特殊處理。主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)等?？芍庇^反應(yīng)材料的粒徑尺寸特殊結(jié)構(gòu)及分布情況。

　　2.TEM透射電子顯微鏡

　　2.1原理：

　　主要利用入射電子束穿過樣品，產(chǎn)生攜帶樣品橫截面內(nèi)部的電子信號，并經(jīng)多級磁透鏡的放大后成像于熒光板，整幅像同時(shí)成立。

　　2.2特點(diǎn)：

　　⑴樣品超薄，h<1000？

　?、贫S平面像，立體感差

　?、欠直媛矢撸瑑?yōu)于2？

　?、葮悠分苽鋸?fù)雜

　　2.3觀察對象：

　　在溶液中分散的納米級材料，使用前需要滴在銅網(wǎng)上，提前制備并保持干燥。主要觀察樣品內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)，HRTEM高分辨透射電鏡可以觀察到材料對應(yīng)的晶格和晶面。如圖2b所示，觀察二維平面結(jié)構(gòu)具有更好的效果，相對于SEM的立體感差，但可以具有更高的分辨率，觀察到更細(xì)微的部分，，特殊的HRTEM甚至可以觀察到材料的晶面和晶格等信息。

　　3.材料晶體結(jié)構(gòu)測試：（XRD）X射線衍射儀技術(shù)

　　X射線衍射儀技術(shù)(X-raydiffraction，XRD)。通過對材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)(晶體或非晶體)進(jìn)行衍射分析時(shí)，該物質(zhì)被X射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型、構(gòu)象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。因此，X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法，已逐步在各學(xué)科研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

　　3.1XRD原理：

　　X射線衍射作為一電磁波投射到晶體中時(shí)，會受到晶體中原子的散射，而散射波就像從原子中心發(fā)出，每個(gè)原子中心發(fā)出的散射波類似于源球面波。由于原子在晶體中是周期排列的，這些散射球波之間存在固定的相位關(guān)系，會導(dǎo)致在某些散射方向的球面波相互加強(qiáng)，而在某些方向上相互抵消，從而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。每種晶體內(nèi)部的原子排列方式是唯一的，因此對應(yīng)的衍射花樣是唯一的，類似于人的指紋，因此可以進(jìn)行物相分析。其中，衍射花樣中衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射線的強(qiáng)度是由原子的種類和它們在晶胞中的位置決定。通過布拉格方程：2dsinθ=nλ，我們可以獲得不同材料通過使用固定靶材激發(fā)的X射線在特殊θ角位置產(chǎn)生特征信號，即PDF卡片上標(biāo)注的特征峰。

　　3.2XRD測試特點(diǎn)：

　　XRD衍射儀的適用性很廣，通常用于測量粉末、單晶或多晶體等塊體材料，并擁有檢測快速、操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的“良心產(chǎn)品”。不僅僅可用于檢測鋰電材料，大部分晶體材料都可以采用XRD測試其特定的晶型。圖3a為鋰電材料Co3O4所對應(yīng)的XRD光譜，圖上根據(jù)對應(yīng)的PDF卡片標(biāo)注了該材料的晶面信息。該圖黑色對應(yīng)塊體材料結(jié)晶峰窄且高度明顯，說明其結(jié)晶性很好。

　　3.3測試對象及樣品準(zhǔn)備要求：

　　粉末樣品或表面平整的塊狀樣品。粉末樣品要求磨勻，樣品表面要鋪平，減小測量樣品的應(yīng)力影響。

　　4.電化學(xué)性能（CV）循環(huán)伏安法和循環(huán)充放電

　　鋰電池材料屬于電化學(xué)范圍，因而對應(yīng)的一系列電化學(xué)測試必不可少。

　　CV測試：一種常用的電化學(xué)研究方法。該法控制電極電勢以不同的速率，隨時(shí)間以三角波形一次或多次反復(fù)掃描，電勢范圍是使電極上能交替發(fā)生不同的還原和氧化反應(yīng)，并記錄電流-電勢曲線。根據(jù)曲線形狀可以判斷電極反應(yīng)的可逆程度，中間體、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)等。常用來測量電極反應(yīng)參數(shù)，判斷其控制步驟和反應(yīng)機(jī)理，并觀察整個(gè)電勢掃描范圍內(nèi)可發(fā)生哪些反應(yīng)，及其性質(zhì)如何。對于一個(gè)新的電化學(xué)體系，首選的研究方法往往就是循環(huán)伏安法，可稱之為“電化學(xué)的譜圖”。本法除了使用汞電極外，還可以用鉑、金、玻璃碳、碳纖維微電極以及化學(xué)修飾電極等。

　　循環(huán)伏安法是一種很有用的電化學(xué)研究方法，可用于電極反應(yīng)的性質(zhì)、機(jī)理和電極過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究。對于一個(gè)新的電化學(xué)體系，首選的研究方法往往是循環(huán)伏安法。由于受影響因素較多，該法一般用于定性分析，很少用于定量分析。

　　恒電流循環(huán)充放電測試：鋰電材料組裝成相應(yīng)的電池之后，需要進(jìn)行充放電進(jìn)行循環(huán)性能的測試。充放電過程經(jīng)常采用恒電流充放電的方式，以固定電流密度進(jìn)行放電和充電，限制電壓或比容量的條件，進(jìn)行循環(huán)測試。實(shí)驗(yàn)室常用的有武漢藍(lán)電和深圳新威兩種測試儀，設(shè)置簡單的程序后，即可測試電池的循環(huán)性能。圖4b為一組鋰電材料組裝電池后的循環(huán)圖，我們可以看到黑色bulk材料對應(yīng)可以循環(huán)60圈，紅色NS材料可循環(huán)超過150圈。

　　小結(jié)：鋰電池材料的測試技術(shù)有很多，最為常見的有上述的SEM，TEM，XRD，CV和循環(huán)測試等。另外還有拉曼光譜（Raman），紅外光譜（FTIR），X射線光電子能譜（XPS），以及電鏡附件部分的能譜分析（EDS），電子能量損失譜（EELS），判斷材料粒度及孔隙率的BET比表面積測試法。甚至有些時(shí)候還能用到中子衍射和吸收譜（XAFS）等表征手段。

　　近30年時(shí)間內(nèi)，鋰電池行業(yè)迅速發(fā)展并要逐步替代煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料應(yīng)用于汽車等動(dòng)力設(shè)備，而隨之發(fā)展的表征檢測手段也不斷的完善和促進(jìn)著鋰電池領(lǐng)域的進(jìn)步。