新能源汽車電池管理系統(tǒng)市場探究

范智喻

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引言

隨著我國躋身世界第二大經(jīng)濟(jì)體同時(shí)經(jīng)濟(jì)體量的持續(xù)增加以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的不斷提升，我國汽車產(chǎn)業(yè)也得到了飛速發(fā)展。從2009年開始，我國汽車產(chǎn)量和銷量均處于世界第一[1]。長期以來，汽車產(chǎn)業(yè)都是石油的主要“消費(fèi)者”，然而我國石油對外的高度依賴性以及石油的不可再生性使得我國的石油資源供給一直處于緊張狀態(tài)。此外，傳統(tǒng)汽車的尾氣排放也導(dǎo)致我國面臨著嚴(yán)峻的空氣污染問題，同時(shí)還嚴(yán)重威脅著人類的身體健康。

為了積極應(yīng)對排放污染和石油危機(jī)問題，世界各國陸續(xù)的出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)來限制汽車尾氣的排放并積極推廣和應(yīng)用新能源汽車。新能源汽車作為當(dāng)下緩解石油緊張和減少汽車尾氣污染的主要解決手段，中國已經(jīng)出臺(tái)了多項(xiàng)惠民政策來支持新能源汽車的發(fā)展，使得新能源汽車走進(jìn)千家萬戶。加之政府對新能源汽車補(bǔ)貼政策的不斷升級[2]，我國新能源汽車發(fā)展迅速，在全球疫情的持續(xù)考驗(yàn)下2021年，我國新能源汽車市場再度進(jìn)入高速增長的階段。據(jù)中汽協(xié)預(yù)計(jì)，中國新能源汽車在過去一年的銷量有望達(dá)到340萬輛，同比增長160%，超出預(yù)期。我國已連續(xù)六年位居世界首位，成為全球第一的新能源汽車市場。招商證券發(fā)布了《新能源汽車將迎全球放量，上游供需持續(xù)吃緊》的研究性報(bào)告，報(bào)告中顯示2025年總量或達(dá)1650萬輛。

得益于新能源汽車的蓬勃發(fā)展，作為新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ?，鋰電池行業(yè)正在快速崛起[3]。在2021年1月至11月，全球動(dòng)力電池裝機(jī)量為250.8 GWh，同比增長112%。其中，寧德時(shí)代以79.8GWh的電池裝機(jī)量位居第一，市場占有率達(dá)到31.8%；LG和松下分列第二、三名，裝機(jī)量分別為51.5GWh和31.3GWh。目前全球前十動(dòng)力電池廠商分別是：寧德時(shí)代、LG、松下、比亞迪、SKI、三星SDI、中創(chuàng)新航(中航鋰電)、國軒高科、億緯鋰能、欣旺達(dá)。其中有6家中國企業(yè)上榜。

新能源汽車和鋰電池的迅速發(fā)展給電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)的發(fā)展帶來重大機(jī)遇[4]。據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2020—2026年中國電池管理系統(tǒng)行業(yè)競爭格局分析及投資趨勢預(yù)測報(bào)告》顯示，到2025年我國的BMS市場可達(dá)到500億元的規(guī)模。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)大觀研究(Grand View Research)的新報(bào)告，到2025年全球BMS市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)111.7億美元(約合人民幣768.4億元)。

在電子產(chǎn)品消費(fèi)的時(shí)代，單個(gè)電子產(chǎn)品由于自身個(gè)體小所以使用電池?cái)?shù)量少容量也較小，通常BMS隸屬于電池PACK廠商；早在2008年之前，新能源汽車剛進(jìn)入市場時(shí)，因?yàn)閷MS有較高的技術(shù)要求，所以研發(fā)生產(chǎn)往往以整車制造廠或者電池PACK廠商自主開發(fā)為主。最近幾年，隨著頻頻發(fā)生的新能源汽車電池安全事故，使得對BMS的重視程度進(jìn)一步加深。目前，已成為新能源汽車三大核心技術(shù)之一，BMS也被大家形象地比作動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”。由于BMS對新能源汽車安全性起著至關(guān)重要的作用，也使得該行業(yè)持續(xù)吸引著更多優(yōu)秀企業(yè)的加入。

2 國內(nèi)外市場

國際BMS市場主要參與者為整車企業(yè)、汽車零部件企業(yè)以及電池企業(yè)。在大型整車廠這一塊，國際中的一些車企“領(lǐng)頭羊”不靠與外界合作，選擇自主開發(fā)生產(chǎn)BMS，代表性的車企有特斯拉、本田、現(xiàn)代等。以特斯拉BMS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超7000節(jié)21700號電池統(tǒng)一管理，達(dá)到安全性和有效性的目的，而在電池快速冷卻、安全、電荷平衡等技術(shù)方面都是首屈一指，特斯拉申請的核心專利超過140項(xiàng)，所以特斯拉將BMS技術(shù)納入自己品牌的核心競爭力之一。在整車控制和參數(shù)匹配方面整車廠有著更深的理解，同時(shí)憑借自身強(qiáng)大的資金實(shí)力和成熟的技術(shù)積累來自主研發(fā)和自身產(chǎn)品需求相匹配的BMS，如特斯拉、豐田Prius、日產(chǎn)Leaf、通用Volt等采用的BMS都是整車廠主導(dǎo)研發(fā)的。在專業(yè)BMS廠商方面，如Denso(電裝)、Preh(普瑞)的傳統(tǒng)汽車零部件廠商依靠在整車廠供應(yīng)鏈中重要技術(shù)手段，已拔得頭籌。Denso(電裝)是豐田汽車最重要的零部件供應(yīng)商，前后為豐田Prius、豐田Camry Hybrid等熱門車型提供電池管理系統(tǒng)；而Preh(普瑞)則主要為寶馬I系純電動(dòng)車服務(wù)。

目前，我國BMS雖然企業(yè)也有上百家，但技術(shù)優(yōu)勢較國外相比并不明顯，表現(xiàn)出“多而不強(qiáng)”的分布特點(diǎn)。在核心技術(shù)上存在兩極分化現(xiàn)象，且大多數(shù)企業(yè)處于同一水平競爭，主要游走于中低端市場。此外,因?yàn)榧夹g(shù)參數(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失導(dǎo)致與國際標(biāo)準(zhǔn)存在差距，同時(shí)還缺少較為權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對BMS產(chǎn)品進(jìn)行行業(yè)認(rèn)證，使得現(xiàn)有的BMS產(chǎn)品良莠不齊。

總的來看，我國BMS市場參與者主要分為三類：動(dòng)力電池企業(yè)、整車企業(yè)、專業(yè)第三方BMS企業(yè)，而且短期內(nèi)第三方BMS企業(yè)依舊為市場主流。從長遠(yuǎn)來講，裝備整車廠和電池企業(yè)相互滲透是一種趨勢，行業(yè)將掀起新的一輪整合潮，伴隨的將是市場集中度的提升。

國內(nèi)電動(dòng)汽車的起步相對國外較晚，但后勁十足，目前，國內(nèi)致力于BMS研究工作的企業(yè)、研究所以及高校有很多，已經(jīng)成功研發(fā)出一些電池管理系統(tǒng)。如：北京交通大學(xué)與惠州億能電子合作開發(fā)的BMS成功應(yīng)用在北京奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)大巴上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)聯(lián)合成立的哈爾濱冠拓公司研發(fā)的BMS被推廣應(yīng)用在一些國產(chǎn)電動(dòng)汽車品牌上。但由于許多關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸還尚未突破，使得已經(jīng)裝車運(yùn)行的BMS與整車一起使用的電池之間存在匹配度不高、排異性現(xiàn)象，對BMS來講在國內(nèi)仍還有很大的提升空間。當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，而BMS作為電池關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)階段雖有較大突破和研究成果，但在技術(shù)上仍有如下完善的地方。

一是準(zhǔn)確預(yù)測電池SOC(電池荷電狀態(tài))依舊是日后關(guān)注的重點(diǎn)；二是電池包如何均衡在當(dāng)下依然是一個(gè)困擾的問題，急需提出有效方案，對電池包做一個(gè)高效綜合的電池均衡測試；三是BMS的安全性能更是關(guān)注的焦點(diǎn),尤其是熱管理系統(tǒng)避免電池起火是保障BMS安全性能的重中之重，這將是今后的研究方向。

雖然與整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)相比，我國BMS的研發(fā)及生產(chǎn)還處于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化初期，技術(shù)水平與國外主流廠商還有差距，但隨著業(yè)內(nèi)人士以及資本市場對該領(lǐng)域關(guān)注度不斷提升，未來上升空間極大。

3 未來市場發(fā)展趨勢

車企與專業(yè)BMS公司整合的經(jīng)營模式將會(huì)成為未來發(fā)展新的風(fēng)向標(biāo)。核心技術(shù)與綜合服務(wù)之間的競爭會(huì)給行業(yè)內(nèi)并購整合激發(fā)更多機(jī)會(huì)。整車企業(yè)、電芯企業(yè)、PACK企業(yè)和BMS公司均在BMS業(yè)務(wù)領(lǐng)域加快了布局步伐。BMS市場未來細(xì)化分工已成必然，核心競爭力在于算法的融合，因?yàn)閱我凰惴ㄒ巡辉僬純?yōu)而開發(fā)新算法又相對困難，算法融合是最快的途徑，相同的BMS軟件可以應(yīng)用于不同車型，減少資金成本。同時(shí)出臺(tái)更嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證制度將對提升安全具有重要意義。

實(shí)現(xiàn)完備功能的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要各方的不斷努力，包括優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、提高軟件的自適應(yīng)性和實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

4 市場環(huán)境

4.1 宏觀統(tǒng)籌

繼2017年“雙積分”政策要求整車企業(yè)生產(chǎn)銷量一定新能源汽車比例后，工信部宣布正式啟動(dòng)面向2035年新能源汽車規(guī)劃。為推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)可以更好更快發(fā)展，工信部組織召開《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》編制工作啟動(dòng)會(huì)。工信部方面表示，到2035年新能源汽車規(guī)劃是為下一階段我國新能源汽車發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。規(guī)劃編制工作中，要以新能源汽車高質(zhì)量發(fā)展為主線，探索新能源汽車與能源、交通、信息通信等深度融合發(fā)展的新模式。

2021年3月，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，我國平臺(tái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在關(guān)鍵時(shí)期，要著眼長遠(yuǎn)、兼顧當(dāng)下，補(bǔ)齊短板、強(qiáng)化弱項(xiàng)，營造創(chuàng)新環(huán)境，解決突出矛盾和問題，推動(dòng)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)規(guī)范健康持續(xù)發(fā)展；實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕、踏石有印的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)[5]。新能源汽車作為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主力軍之一，新能源汽車為生態(tài)可持續(xù)發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。

4.2 財(cái)稅優(yōu)惠

根據(jù)《財(cái)政部稅務(wù)總局工業(yè)和信息化部關(guān)于新能源汽車免征車輛購置稅有關(guān)政策的公告》(財(cái)政部公告2020年第21號)第一條規(guī)定，自2021年1月1日至2022年12月31日，對購買新能源汽車的車主免征車輛購置稅。并且在2020年3月31日國務(wù)院常務(wù)會(huì)議確定將新能源汽車購置補(bǔ)貼和免征購置稅政策延長兩年。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

在《2021—2027年中國電動(dòng)汽車充電樁行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》中的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年1月，總計(jì)上報(bào)公共類充電樁41.2萬臺(tái)，其中交流充電樁21.8萬臺(tái)、直流充電樁18.9萬臺(tái)、交直流一體充電樁0.5萬臺(tái)。2021年1月同比增長44.8%。在《2020—2021年度中國電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展報(bào)告》中的數(shù)據(jù)顯示：報(bào)告顯示，2020年，我國公共充電樁累計(jì)實(shí)現(xiàn)充電70.57億kWh，在疫情影響下仍然接近上一年充電電量。截至2021年10月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量為258.9萬臺(tái)，車與樁之比達(dá)到3.5∶1。隨著新能源汽車市場占比的增加，基礎(chǔ)充電設(shè)施將會(huì)爆發(fā)式增長。

5 市場痛點(diǎn)

BMS主要是一套保護(hù)動(dòng)力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過必要措施緩解電池包的不一致性，為新能源車輛的使用安全提供保障。目前市場上的BMS存在很多不足，使得近年來電動(dòng)汽車事故頻頻發(fā)生。同時(shí)電池組還存在冬天啟動(dòng)困難、電池剩余壽命短、SOC跳變和剩余里程估計(jì)不準(zhǔn)確等使用問題。

根據(jù)2021年2月中國最大充電運(yùn)營商“特來電”與《電動(dòng)汽車觀察家》聯(lián)合發(fā)布的“2020年電動(dòng)汽車起火事故分析”數(shù)據(jù)顯示，2020年1月至12月之間，被媒體所報(bào)道的電動(dòng)汽車著火事件共124起。其中，比亞迪是發(fā)生起火事故最多的車企，共有13起；排名第二的是廣汽新能源，共有8起；接下來是北汽新能源，共6起事故。特斯拉Model S出現(xiàn)的次數(shù)最多，共有4次起火案例，緊隨其后的是蔚來ES8、北汽威旺407EV，各自有3起起火案例。

除此之外，全國每年平均發(fā)生兩輪電瓶車火災(zāi)約2000起，電動(dòng)自行車的其失火率已達(dá)到萬分之一。電動(dòng)汽車和兩輪電動(dòng)車電池故障中因?yàn)殡姵貑栴}導(dǎo)致自燃等失火事故的占74%，電動(dòng)車的火災(zāi)事故不僅造成了財(cái)產(chǎn)損失，還威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。

6 風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避

一個(gè)可靠的BMS可以有效地解決上述的問題，電池管理系統(tǒng)的核心是算法，得益于現(xiàn)今大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的興起和芯片技術(shù)的突破，越來越多的機(jī)器學(xué)習(xí)算法被應(yīng)用到了電池管理系統(tǒng)上估算電池的SOC、健康狀態(tài)(SOH)、能量狀態(tài)(SOE)和功率狀態(tài)(SOP)，用于提升BMS的性能。在電池管理系統(tǒng)中最常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和以此為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)，只需要通過海量的汽車電池?cái)?shù)據(jù)建立并訓(xùn)練動(dòng)力電池參數(shù)與SOC、SOE、SOH和SOP之間的映射網(wǎng)絡(luò)，最終得到比較精確的結(jié)果，由于不用考慮電池的詳細(xì)信息，所以該方法具有普遍適用性。

此外，隨著通信技術(shù)及車車(V2V)、車云(V2C)、車對基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)等車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，借勢產(chǎn)生了一系列的政府及企業(yè)新能源汽車監(jiān)管平臺(tái)，這產(chǎn)生將為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供有力支撐。目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，新能源汽車和大數(shù)據(jù)的融合是未來大趨勢，也是我國汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略重點(diǎn)方向。

相信在國家政策的引導(dǎo)下、在技術(shù)的不斷提升下新能源汽車的銷量會(huì)持續(xù)上升，相應(yīng)的配套設(shè)施和應(yīng)用技術(shù)會(huì)不斷地提升，BMS將會(huì)更加的完善，使得其應(yīng)用在更寬廣的領(lǐng)域和平臺(tái)。