数字孪生赋能BMS:开启电池管理新纪元

这几天,全世界的媒体几乎都在报道黎巴嫩爆炸案。原本此类地缘冲突的影响力是较为有限的,但是这次的事件不太一样:这次爆炸的,是几千个传呼机。
 
这一事件迅速引发了全球范围内对于电子设备安全性的广泛关注:随着社会日益依赖各种高科技产品,从日常通信到交通出行,人们开始重新评估这些设备在日常生活中的作用及其潜在风险。特别是对于那些与个人生活紧密相连的电子设备,如手机、电脑乃至新能源汽车等,公众对于其安全性与稳定性的要求也达到了前所未有的高度。
 
在对科技安全的深刻思考中,伴随着当下新能源汽车发展的大趋势,汽车电池管理系统(Battery Management System,BMS)作为现代新能源汽车的核心组成部分,自然而然成为了讨论焦点。
 
根据中国汽车工业协会统计数据,2023年我国新能源汽车产销分别完成958.7万辆和949.5万辆,同比分别增长35.8%、37.9%,实现了产销两旺。作为新能源汽车的“心脏”,BMS不仅与动力电池的性能与寿命息息相关,更直接影响车辆行驶的安全性,对每一位道路使用者而言显得尤为重要。
 
BMS是作为连接电池组与整车的纽带,承担着监测电池状态、预警安全隐患、优化能量管理等重任,是现有电池本体技术下提升电池系统“四高”性能的不可替代方案。
  • 高能量密度:提升电池存储能量的能力,以减少体积和重量。
  • 高功率密度:增强电池在短时间内释放能量的能力,以满足高性能需求。
  • 高安全性:提高电池的安全防护,降低爆炸、起火等风险。
  • 高循环寿命:延长电池的使用寿命,以减少更换频率和成本。
在商业应用领域,宁德时代、比亚迪等企业正不断升级其电池管理技术以提高系统能量密度、运行效率和系统安全性,如单体到电池包集成(Cell to Pack,CTP)和单体到底盘集成(Cell to Chassis/Car,CTC),以及结合大数据的智能管理技术。国内外研究人员从电池建模、BMS设计、在线管控等方面开展了大量探索工作,为先进电池管理技术的发展提供了有益推动和参考。
  ▲宁德时代乘用车NCM CTP Pack技术演变
 
​在新能源汽车功能与性能日益复杂的大背景下,BMS需要实时监控、采集储能电池的状态参数,并通过接口与其他设备进行信息交互,涉及多个功能模块和高度集成的BMS系统发展成为保障车辆安全、提升整体性能的关键技术。
 
近年来,随着人工智能、物联网、大数据等相关技术的成熟,数字孪生、数字样机技术得到了长足的发展和进步,学术界开展了广泛深入的研究,提出了一系列理论成果,极大丰富了数字孪生技术框架。
 
现有的BMS在对电池运行数据的获取、处理、存储能力上有所欠缺,导致了数据实时性差、利用率低的问题,极大阻碍了电池管理技术的进一步发展。将数字孪生与数字样机技术引入电池管理领域,通过数字化的方式创建真实环境下物理实体的数字模型,为开发团队提供数据虚实交融、双向反馈、实时交互、决策分析和快速迭代优化的能力,使动力电池全生命周期物理空间和信息空间的高效协同成为可能,有助于实现电池全生命周期的实时管控。
 
天目全数字实时仿真软件SkyEye,是一款由迪捷软件研发的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台,支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模,是数字样机与数字孪生应用“降本增效”的有效解决方案。
 
基于SkyEye搭建虚拟汽车BMS模型,可被用于模拟电池的极端使用场景,如长期高负荷运行、大功率放电等,帮助开发者提前发现电池的热失控风险和性能衰减问题,从而优化系统设计,提升电池的安全性和寿命。
▲基于SkyEye的虚拟汽车BMS模型
基于SkyEye的虚拟电池管理系统有着如下优势:
  • 无需关心真实线缆繁琐的连接关系,工程一次搭建,持续可复用;
  • 仿真真实CAN总线和BMS控制器硬件,支持几乎无限数量的仿真硬件;
  • 支持符合AUTOSAR协议的OS及应用程序的运行;
  • 集成原有CANoe上位机软件,可通过SkyEye GUI界面模拟注入真实数据。
基于数字孪生技术的虚拟电池管理系统,可极大节约新能源汽车动力电池的开发时间与成本,降低物理部署和维护成本,其灵活性与可拓展性能够适应不同类型、规模和配置的电池系统,还可根据不断变化的电池技术和应用需求进行适应性调整,以适应未来拓展与升级。虚拟BMS系统可供用户直观了解电池状态、性能和健康状况,实现最佳的电池使用与性能。
 
2024年9月,工业和信息化部发布了《工业重点行业领域设备更新和技术改造指南》,进一步推动了工业软件和设备的升级与改造。这一指南针对工业软件和工业网络设备设定了明确的更新目标,尤其是到2027年,计划完成约200万套工业软件和80万台套工业操作系统的更新任务。这一政策不仅为传统工业领域的技术升级提供了清晰的方向,也为BMS等关键领域的技术改造带来了新机遇。
 
展望未来,在数字孪生与数字样机技术的帮助下,汽车电池管理系统必将实现更精准的监控和管理,提升汽车电池系统的整体性能与安全性,推动汽车产业的高质量发展。
 
参考文献
[1]邱伟.新能源汽车动力电池结构及成组技术综述[J].时代汽车,2024,(05):107-111.​