馬斯克的第一性原理因特斯拉電動汽車的橫空出世而逐漸廣為人知，遺憾的是，雖然特斯拉整車的設計遵循了馬斯克的第一性原理獲得了成功，激勵了國內廠商奮起直追，但是當時備受業界推崇的BMS卻并沒有遵循第一性原理進行設計，國內BMS隨后的趨同設計使得電池包的種種問題一直困擾著整個行業。

目前國內新能源車的重要問題還是在電池，重要是以下幾點：1.電池性能衰減或電量無法放出（有的電池還有電，但有的電池已經沒電了）造成行駛里程縮短；2.電池電量測量不準造成剩余行駛里程預判不準；3.電池PACK生產與維護工作量大；4.退役電池梯次利用難以開展。前兩個重要是電池/BMS性能問題，后兩個則是電池/BMS組合的架構問題，實際上就是BMS的電路拓撲問題。

那么有人會問，為何特斯拉的電池包好像沒有這些問題呢？這個要從兩個方向來分析。第一個比較明顯，就是電池的性能。特斯拉開始的電池都來自于松下的定制產品，本身一致性很好，再加上電池包容量很大，在高速公路上以每小時45英里的時速駕駛ModelS，大約能開408英里。而一般客戶一次開到沒電的概率很小，所以對電池的不一致性影響不大，這也是其BMS采用被動均衡的原因。這點實際上得益于其產品定位策略，豪車不懼成本，解決了大部分客戶行駛里程縮短和剩余里程不準的問題，實際上是用戶輕易開不到滿里程狀態，避開了不良體驗。

反觀國內，受制于價格成本，電池性能本來就無法與松下相比，容量也無法向特斯拉看齊，然后又有特斯拉在前借鑒有樣學樣，結果人家避開的坑我們就踩上去了。其次從公司對自身在產業鏈中的定位對產品設計的影響這個角度來分析，特斯拉首先是一個電動汽車公司，但是是一個類似蘋果的垂直封閉體系的電動汽車公司。因為首創采用幾千個18650的電芯組合成動力鋰電池組，沒有同類產品可以借鑒，所以特斯拉必須在一開始就只能自己設計BMS，其BMS與電池組深度耦合，完全定制化。憑借其當時獨到的熱管理系統，其電池包可靠性也確實不錯。

至于電池梯次利用的問題，我們還要看到，特斯拉對自己的定位不僅僅是一個電動汽車公司，更是一個能源公司。特斯拉在2016年底收購了美國太陽能發電系統供應商SolarCity，使自身成為全球唯一垂直整合的能源公司，向客戶供應包括電池、電動汽車、Powerwall能源墻、太陽能屋頂等端到端的清潔能源產品，這些產品形成了一個閉環，所以看起來特斯拉是試圖將梯次利用問題在其體系內部解決。

近日，《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》由多部局聯合公布，退役動力鋰電池梯次利用的問題被官方提到臺面。現狀是從今年開始電池進入規模化退役，預計到2020年累計超過24GWh，但是業內尚無準備，重要問題就是技術能力不足，電池全生命周期管理無法實現。這其中的關鍵就是BMS。電池在到梯次利用的環節時，電池組會被拆開重組，在此過程中，原有的BMS會與電池完全分離，以往的數據在云端全無價值，大規模的重新一一標定工作量不可想象。即使有電池編碼系統也用不上力，數據的轉移未必會跟上電池所有者的轉移。而且鑒于目前BMS與電池組的強耦合關系，在重新成組后因為串數容量的改變還要再次定制新的BMS，這大量的工作和成本梯次利用的公司肯定不愿承擔，更何況這樣一來成本很大概率會超過新電池模組，這也是目前按說順理成章最該使用退役電池的儲能卻使用新電池的原因。

既然馬斯克利用第一性原理取得了諸多成功，（除了特斯拉，還有SpaceX，最近獵鷹重型的發射回收也是這一理論的典型應用）我們不妨向成功者學習，按照馬斯克的第一性原理，BMS應該如何設計？

先來看第一性原理的主旨。第一性原理的主旨是要想獲得一個問題的正解，要從一個或幾個最基本確認無疑的條件出發進行邏輯推演，不要受同類橫向比較和相關經驗的影響，最后得出的結論或會與你的相關經驗矛盾，或會與現在的方法截然不同，但是別猶疑，那就是正確的方向。比如傳統電池組，當時市場平均價格是600美元/千瓦時，馬斯克通過第一性原理發現，假如從倫敦金屬交易所購買鋰離子電池組的原材料組合在一起，只要80美元/千瓦時，所以特斯拉在2013年開始自己建立了電池廠。

那么目前BMS可以確認無疑的基本條件有什么呢？一是要完成的常規功能，各種數據檢測和容量均衡等；二是要做到全生命周期管理，要能夠應對所管理對象----電池組的形態性能參數改變所造成的種種問題。第一項服從于第二項，也就是說，要在首先滿足第二項的前提下再滿足第一項。這樣一來，其功能設計就排在第二位，產品的架構設計也就是電路拓撲問題是要首先考慮的。梯次利用，要將退役的電池組打散重組。

那么，打散到哪個地步再重組才是合適的呢？這是個要優先確定的問題。假如打散到電芯單體再分容測試重組，理論上很完美，把舊電芯像新電芯相同再走遍流程組裝成電池組，但成本無法接受；打散到單串電池模組（多個電芯單體并聯而成的單串大容量電池）看來是唯一的合理選擇，工作量小。其可行條件是1.在拆解成單串電池模組狀態時要在本地而不是云端了解該單串模組的滿電SOC/SOH數據，這要有部分BMS組件和單串模組保持一體化；2.同類SOH、滿電狀態下SOC參數接近的單串模組經過串并聯組成新的電池組后要能快速完成BMS安裝，最少化甚至無需人工重設參數。

現有的BMS基本上都屬于集中式或二級集中式架構，在單串模組狀態下意味著BMS與電池已經完全分離，在技術上無法支持上述兩點，只有類似分布式架構的弱耦合式BMS，即非定制化的標準部件多層級架構體系有可能做到。

推論更進一步，我們要的BMS與分布式類似，BMS由幾種不同層級的部件組成。首先單串模組上要有一個標準部件，暫時含義為單串模塊，單串模塊在第一次安裝后就與單串模組合體不再分離。單串模塊通過總線連接，總線最后接入外部的一個主控部件。這是一個兩級的分布式架構。假如電池組串數多，就要一種三級類分布式架構，將整組電池分為幾個多串模組（多串模組的串數可能不同）來處理。單串模塊仍是第一層級，第二級控制部件（驅動器）處理本多串模組，同時多個第二級控制部件也通過總線接入最后主控部件（控制器）。

積木式BMS示意圖

這是一個三級架構的示意圖。圖中電池單體就是指單串電池模組，分電池組即多串模組，模塊即單串模塊，驅動器即第二級控制部件，控制器即總控部件。單串模塊可以滿足第一個條件，數據本地存儲，在拆成單串模組狀態時數據可以在本地讀出；通過總線連接不同層級部件可以滿足第二個條件，快速安裝。架構的設計看似不錯，但實際上它還要各部件電路功能上的支持，假如功能上達不到，架構設計再理想也是枉然。下面嘗試推論下各個部件的功能要求。

首先看單串模塊。電池組被重組，順序被打亂后單串模塊要自動重新定序。模塊是標準件，上面無地址設定，但可以通過總線與驅動器通訊設定，或再與控制器通訊設定。模塊是標準件的好處是生產組裝和維護時方便，梯次利用的重組可以看做是一種特殊的維護，一旦電池組與BMS安裝完畢開始工作，則會自動定序，防止了人工定序的不可靠性。模塊可以完成被動均衡功能。

總線可以讓組裝簡單，無論是第一次還是后面的梯次。從物理形態上來講，總線就是電線，即使長度有差別，制備也很容易，也可以算是標準件。因為有通訊功能，總線與模塊的關系是模塊都并聯在總線上，這種并聯關系比電池管理專用IC的菊花鏈方式要來得簡單也更可靠。

考慮到文章開頭提到的電池的第一個問題，性能衰減或電量放不出，這個要改善電池的不一致性，要主動均衡功能。主動均衡和被動均衡已經爭論了很久，其實這兩種方式暗含了不同的邏輯：被動均衡潛在邏輯是電池非常完美，即使是最差的電池性能也是足夠好的，所以就按最差電池的性能來使用就可以了；主動均衡的潛在邏輯是承認電池不完美，有差異，而且隨著使用時間新增而新增，所以要主動改善電池的不一致性。

當然，主動均衡并不是瞎均衡，而是要真正找到能量低的電池，這個關系到軟件算法。主動均衡假如實現比較理想的話，還可以降低第二個問題的算法難度。假如電池都是均衡的，我們實際上可以把整組電池當做一串電池來看待，剩余電量的計算量大大降低，準確性大大提高。要完成主動均衡功能，總線必須傳遞能量。這里總線可以有兩種設計方式，一種是分為通訊總線和能量總線，一種是通訊和能量合二為一，類似電力載波。雖然說起來容易，無論是哪種方式在這種架構下都是一個巨大的挑戰。

驅動器也必須是一個標準件。因為是處理不同的分組電池，驅動器必須了解自己這個分組在整組中的順序，這和模塊的定序一個意思，可以通過內部總線與控制器通訊設定。因為分組串數可能不是均分，驅動器還要了解自己的分組電池串數。假如是主動均衡，分組還帶來一個問題，即組間如何均衡，內部總線的功能與連接模塊的總線功能類似，這里也是一個難點，尤其是要分組的電池串數肯定多，電壓高，處理起來難度更大。

控制器相比較較簡單，完成一些測量計算、外部控制和與上層控制單元的通訊功能，其中電池參數的算法應該是重中之重，在低層級部件都是標準件的情況下，這里可能是實現產品差異性的發揮所在。

假如以上架構成立，各部件功能尤其是主動均衡功能也能實現，其實就可以實現電池模組的標準化應用，是真正的組合連接的可標準化，而不只是尺寸容量的標準化。在電動汽車周期中，換電模式就可以跨公司進行，電動汽車的商業模式也會出現嶄新的變化。其實這有點類似軟件平臺，底層的驅動和基本組件標準化，上層的應用才會更順利實現多樣化。

但是，以上都還只是一個粗糙的思想實驗和設計推演，基本的功能實現原理都未曾涉及，更不要說太多的細節。從分析過程看出，要想實現動力鋰電池組的全生命周期管理，難題多多，路遠且長。這里拋磚引玉，希望能早見真章。