保时捷工程开发的高性能电池系统

在电池电动车（BEV）中，电池管理系统（BMS）扮演着核心角色。这套系统由电池管理器（BMC）和单体电池模块管理器组成（CMC）组成。CMC 直接集成在高压电池里，负责将例如单体电池的电压和温度测量值提供给 BMC。此外，CMC也负责控制“电池平衡”：高压电池由许多单体低压电池组成。然而，公差会导致各个单体电池产生独特的物理特性，从而引发系统在使用上的问题。为了避免这样的情形，CMC 会平衡单体电池之间的差异；一种方法是通过并联电阻被动平衡，另一种方式则是主动地将能量密度从较弱的单体电池转移到较强的单体电池。

BMC 是 BMS 的管控中心，除了使用 CMC 的测量值，还有专属的电流传感器。它的任务之一就是保障电池安全。因为电池系统中含有大量能量，而且可以非常快速地释放出来。这里绝对要避免的就是不受控制或意外释放能量。此外，BMC 必须在电池寿命和电池性能之间取得最佳平衡，因为超出规格限制的使用会对系统造成损害。典型的原因包括电流过大、温度过高或过低，造成电解液损坏或是对电流的容忍度变小，以及引发过电压或欠电压，从而破坏电解液或活性材料。

为了预防这些情形发生，BMS 会根据电池状态修改电流极限、限制运行模式或调整冷却程度。“BMS 会根据众多来自温度、电流和电压传感器的测量数值，推断出电池的三个关键参数：充电状态（SoC）、决定剩余续航力的能量密度，以及用于限制功率的内电阻。”在保时捷工程集团担任高压电池功能项目经理的卢卡斯·莫伊雷尔（Lukas Mäurer）如此解释。他还补充说：“此外，这套系统也负责管控安全功能，例如过电流断路开关和碰撞侦测功能，以及与车内其他控制器的通信等等。”

保时捷工程集团已受客户委托开发了多种不同的 BMS，并且可以处理 V 型号中的所有任务——从确认需求到车辆测试。“作为一家企业，我们已在这个领域活跃了 20 多年，而我本人在电池管理系统方面也已经工作了六年。”莫伊雷尔说。

尽管已在众多项目中累积了丰富经验，但开发一套 BMS 对于老练的研发人员仍是高挑战性的任务：软件极其复杂，而且在技术和项目管理方面都具有一些挑战。保时捷工程也因此非常重视严格且透明化的程序。首先是需求管理，专家们对这部分特别重视。“原因在于：这个部分不仅会奠定技术基础，同时也将决定项目的后续流程。”保时捷工程的项目经理阿希姆·欧尔普（Achim Olpp）强调。

早在对新的产品需求文档进行“进货检验”时，就必须尽可能辨识出可能存在的问题并加以解决。欧尔普指的是“十倍法则”：在软件开发过程中，纠错成本会随着每一个阶段而增加 10 倍。所需花费会随着每一个流程步骤提高，因为必须再次检查已完成的工作，并且从错误点开始重新执行。此外，还必须“捕捉”后续错误。这几乎会立即危及到本就已经非常紧凑的时间表，特别是在为多个客户提供客制化版本软件的情况下。

为了避免这种额外的花费，一个经事实证明相当有效的方式是，由软件范围说明书的制定者在需求工程师的带领下，召集所有项目参与者，对客户提出的产品需求文档进行“审核”。“所有人同聚一桌，其中包括软件架构师、软件研发人员以及测试人员和客户。”欧尔普解释道，“借此我们可以更好地了解产品需求文档中的各项要求，从而以更具针对性的方式定义可能的解决方案。通过这样的审核，还可以协调多个客户之间的不同需求。”尽管这在开始时需要花费多一点心力，但从长远来看，却会节省大量时间。

整个工作范围的规划就是建立在这个稳固的基础上。欧尔普指出：“我们在每个软件发布周期的两周前便会举行一次能力研讨会议，对客户需求与可用资源进行核对。如此我们就能明确知道，在现有时间内可以完成哪些工作。而客户也可以在必要时将工作包排出优先顺序。”

精湛的能力管理也可以防止可怕的“范围蔓延”。这指的是在开发过程中对一个产品的要求不断变化且不受控制，从而经常导致延误。“如果能清楚说明自己的能力范围，那么就能更容易理解这种动态需求变化的影响，从而着手进行协调。”欧尔普表示。尤其是在为多个车型和品牌采用软件沿用部件时，更必须特别谨慎处理这个步骤。由于时间表以模块方式安排，错误的范围规划可能会同时危及到多个车型系列。

在 BMS 的开发过程中，软件架构同样面临一些挑战。例如必须考虑到单体电池化学和电池结构会不断变化发展（另请阅读第 42 页的文章）。“ 例如电池冷却方式的改变就会影响热管理。”莫伊雷尔解释道，“传感器可能无法感测到每个单体电池的温度。如果使用了例如 60 个传感器来感测 200 个单体电池的温度，软件架构就必须支持不同的传感器安装位置和各种冷却概念，例如多面冷却板。”

因此，在开发 BMS 的功能时，必须让 BMS 能够快速适应这些变化。在设计软件架构时，使用软件沿用部件也会构成额外的挑战。这样的方式必须采用模块化结构，一方面是为了能满足特定车辆的要求，另一方面却是避免对其他车型造成不利影响。

软件开发之后必须确定软件架构，其目标是让先期开发中的解决方案能够用于批量生产。例如，典型的任务之一是就根据控制器的计算能力和存储能力来修改算法，以配合有限的资源，同时不得对结果质量造成负面影响。“在先期开发中，通常只有一个单体电池会受到感测器的监测，在车辆中却会同时有几十个，”莫伊雷尔说，“但是我们不能这么轻易地让原型车的算法在量产车上接二连三地运行十几次，因为这样需要的计算能力太高。”

此外，电动汽车采用例如快速充电等众多创新功能，往往是处于当前技术可行性的极限。在从原型过渡到批量生产时，这些功能必须获得加强，才足以在所有条件下都稳定无问题地运行。莫伊雷尔说：“快速充电可以通过实施控制算法来实现，若有过热或电压过高的风险时，就会限制充电电流。”如果客户在软件方面也奉行沿用部件战略，那么研发人员就必须确保软件功能具有良好的适应能力，以便能配合不同的电池化学或硬件概念。

莫伊雷尔总结道：“为批量产品开发软件是一种转移服务，保时捷工程在这方面拥有非常好的先决条件。”“从赛车到大规模量产，我们在发展BMS 方面获得了大量经验。我们的解决方案不仅被大众集团的所有品牌采用，也出现在保时捷勒芒冠军车 919 Hybrid 中。”此外，保时捷工程集团本身也拥有专属的电池技术以及新技术方面的经验，例如车载 800 伏网络。

所开发的软件在多大程度上满足了要求，专家们会在模块测试时首次进行评估。以用于计算剩余能量密度的程序为例，在测试过程中，会将定义的输入值送入程序的最小单元中。如果它们提供了预期的结果，那么算法原则上运作正确。否则软件研发人员就必须修改程序代码。“作为验证步骤的第一步，模块测试提供了大量省时省钱的潜力。”莫伊雷尔说，“因为所有在这里找到的问题，若是在之后的项目流程中才发现，就必须花费更大的精力来补救。”

保时捷工程在模块测试中采用四眼原则：编程和测试是由不同的员工执行。到了最后阶段，还会有一名质保部门的代表加入，除了验证成果之外，他还必须验证之前完成的开发过程。如此可以确保 V型号的后续步骤——集成测试、软件测试和车辆测试——建立在良好的基础上。在此，项目经理欧尔普的建议适用于整个开发过程：“没有稳定踏实的过程，BMS 项目就会像一栋没有稳固根基的大楼。”

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2023年第1期。

作者：Christian Buck

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