【導(dǎo)讀】特斯拉對(duì)電池“超級(jí)工廠”的巨額投資，以及大眾汽車計(jì)劃到2030年在歐洲建設(shè)6座專用電池生產(chǎn)廠，均表明電池已成為汽車行業(yè)最具戰(zhàn)略意義的組成部分。
汽車制造商努力降低電池在汽車整個(gè)生命周期中的尺寸、重量和成本影響，并延長(zhǎng)電池支持的續(xù)航里程，這將對(duì)他們的市場(chǎng)份額和競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生巨大影響。隨著越來(lái)越多的舊電動(dòng)汽車達(dá)到使用壽命，汽車制造商甚至將爭(zhēng)奪從報(bào)廢車輛中回收的所謂二次電池衍生的價(jià)值。
可是關(guān)于電池發(fā)展的新聞往往強(qiáng)調(diào)對(duì)新材料的研究，有時(shí)甚至是非常奇特的材料，人們希望這些材料可比當(dāng)下的鋰技術(shù)儲(chǔ)存更多電荷。而對(duì)于電池管理系統(tǒng)(BMS)，即監(jiān)視電池的充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)部分，卻往往得不到關(guān)注。事實(shí)上，由ADI公司開(kāi)發(fā)并由通用汽車在其模塊化Ultium電池中率先采用的新型無(wú)線電池管理系統(tǒng)(wBMS)技術(shù)，有望為汽車制造商帶來(lái)新的貫穿電池整個(gè)生命周期的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)——從電池模組首次組裝開(kāi)始到在電動(dòng)汽車中運(yùn)行，再到處置，甚至進(jìn)入電池的梯次利用。
繼通用汽車發(fā)布Hummer EV（眾多配備wBMS車型中的第一款）之后，ADI開(kāi)展了一系列生產(chǎn)計(jì)劃，展示了基于無(wú)線技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修和處置的轉(zhuǎn)型。
與電池中有線連接相關(guān)的成本、空間、重量和設(shè)計(jì)問(wèn)題
ADI開(kāi)發(fā)wBMS技術(shù)的靈感來(lái)自于對(duì)常規(guī)電動(dòng)汽車電池包中通信布線缺陷的分析。該分析借鑒了ADI的專業(yè)知識(shí)：ADI提供市場(chǎng)上準(zhǔn)確度非常高的常規(guī)BMS，而在無(wú)線通信領(lǐng)域，ADI是5G無(wú)線電技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)之一。它還為工業(yè)環(huán)境開(kāi)發(fā)了非常強(qiáng)大的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
在常規(guī)電動(dòng)汽車電池中，通過(guò)布線來(lái)支持電池包中每個(gè)電池單元與電子控制單元(ECU)之間的通信，ECU調(diào)節(jié)電池的運(yùn)行以確保其為車輛提供電力。
電池內(nèi)部的這種通信需求反映了大型電池包的復(fù)雜架構(gòu)：它由模組組成，每個(gè)模組包含多個(gè)電池單元。自然生產(chǎn)差異意味著在額定容差范圍內(nèi)，每個(gè)電池單元都有自己的特性。為了最大限度地提高電池容量、壽命和性能，需要監(jiān)視電池運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)——電壓、充電/放電電流和溫度，并且每個(gè)模組都需要單獨(dú)記錄。這是BMS中單元監(jiān)控單元的工作。
但是，每個(gè)電池的數(shù)據(jù)只有在到達(dá)BMS的ECU后才會(huì)有用，ECU控制每個(gè)模組的電池供電和取電方式，并維護(hù)電池的安全功能。
因此，電動(dòng)汽車電池需要通過(guò)某種途徑將數(shù)據(jù)從每個(gè)模組（測(cè)量電壓、電流和溫度的地方）傳輸?shù)紼CU的處理器（參見(jiàn)圖1）。傳統(tǒng)上，這些連接是通過(guò)電線進(jìn)行的：有線連接的優(yōu)點(diǎn)是大家熟知且易于理解。
圖1.典型的復(fù)雜、多組件有線BMS網(wǎng)絡(luò)（左），以及由ADI公司wBMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單布置（右）
但其缺點(diǎn)也非常多：銅線束很重，占用的空間如果由電池填充的話，則會(huì)提供更大的電能容量。此外，連接器可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障。換言之，電線增加了開(kāi)發(fā)工作、制造成本和重量，同時(shí)也降低了機(jī)械可靠性和可用空間，導(dǎo)致行駛里程減少。如能擺脫線束，汽車制造商也會(huì)獲得新的靈活性來(lái)設(shè)計(jì)電池包的外形尺寸，以適應(yīng)車輛的設(shè)計(jì)要求。
電池線束的復(fù)雜性還使電池包的組裝變得困難且昂貴：必須手動(dòng)裝配有線電池包并進(jìn)行端接。這是一個(gè)高成本且危險(xiǎn)的過(guò)程，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的高壓電池模組是充電的。為了維護(hù)裝配過(guò)程的安全并保護(hù)生產(chǎn)線工人，須實(shí)施嚴(yán)格的安全規(guī)程。
ADI模塊化且可擴(kuò)展的wBMS系統(tǒng)平臺(tái)提供的優(yōu)勢(shì)是：OEM可以將電池包組裝完全自動(dòng)化。取消（信號(hào)）線束后，電池模組唯一需要的連接是電源端子，這可以由機(jī)器人在自動(dòng)化過(guò)程中輕松完成。通過(guò)消除體力勞動(dòng)，OEM還能消除裝配線工人的安全風(fēng)險(xiǎn)（參見(jiàn)圖2）。
圖 2. wBMS技術(shù)消除了信號(hào)線束，從而支持完整電池包的自動(dòng)化機(jī)器人生產(chǎn)
在通用汽車實(shí)施wBMS技術(shù)的過(guò)程中，Ultium模組的可擴(kuò)展架構(gòu)也有助于降低通用汽車的電池包成本。雖然Ultium電池于2021年首次亮相，但此類模組將部署在通用汽車的所有車型中，不僅用于重型車輛，還用于所有公路汽車——從高性能和高檔汽車到小型車輛。正如通用汽車全球電氣化和電池系統(tǒng)執(zhí)行董事Kent Helfrich在2020年9月的新聞公告中提到，“可擴(kuò)展性和降低復(fù)雜性是我們Ultium電池的主題——無(wú)線管理系統(tǒng)是這種驚人靈活性的關(guān)鍵推動(dòng)力”。
因此，汽車制造商有很多充分的理由在新的電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)中用穩(wěn)健的無(wú)線技術(shù)取代BMS電線。但是，ADI公司wBMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅僅局限于在特許經(jīng)銷商前廳出售的新車。
● 維修——安全的無(wú)線功能意味著電池包的狀況可以通過(guò)授權(quán)修理廠中的診斷設(shè)備方便地分析，而無(wú)需接觸電池包。如果檢測(cè)到故障，有故障的模組可以輕松移除和更換。無(wú)線配置簡(jiǎn)化了電池系統(tǒng)中新模組的安裝。
● 處置——電池包內(nèi)可回收金屬和潛在危險(xiǎn)材料的處置安排需要批準(zhǔn)和監(jiān)管。簡(jiǎn)單的連接和通信線束取消，使得電池模組的拆卸比有線電池更容易且更快速。
● 梯次利用——未來(lái)電動(dòng)汽車電池的壽命可能會(huì)超過(guò)車輛本身的壽命：特斯拉總裁埃隆·馬斯克估計(jì)，電池在完全失效之前的典型壽命相當(dāng)于“100萬(wàn)英里”。因此，從報(bào)廢電動(dòng)汽車中回收電池并重新用于可再生能源儲(chǔ)存系統(tǒng)和電動(dòng)工具等應(yīng)用的二次電池市場(chǎng)正在興起。這為負(fù)責(zé)回收或處置報(bào)廢電動(dòng)汽車中電池的電動(dòng)車企創(chuàng)造了新價(jià)值來(lái)源。
wBMS技術(shù)支持輕松讀取每個(gè)智能模組的關(guān)鍵電池?cái)?shù)據(jù)，這意味著可以單獨(dú)確定每個(gè)電池的狀況。例如，該數(shù)據(jù)可以提供關(guān)于一個(gè)模組的SOC和SOH的信息。結(jié)合模組最初生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)，二次電池模組將能在下一應(yīng)用中得到優(yōu)化使用，每個(gè)模組在銷售時(shí)都有一套詳細(xì)的規(guī)格可供查閱。數(shù)據(jù)的現(xiàn)成可用性增加了模組的轉(zhuǎn)售價(jià)值。
用于電池?cái)?shù)據(jù)采集的完整無(wú)線系統(tǒng)
wBMS技術(shù)利用了ADI的兩項(xiàng)長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)積累：傳感測(cè)量和射頻通信。wBMS技術(shù)是一種完整的解決方案，汽車制造商很容易將其集成到電池包設(shè)計(jì)中。它為每個(gè)電池模組提供一個(gè)無(wú)線電池監(jiān)視控制器(wCMC)單元，并通過(guò)無(wú)線管理器單元控制通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)電池模組無(wú)線連接到ECU。
除無(wú)線部分外，每個(gè)wCMC單元還包括一個(gè)一流的電池管理系統(tǒng)，它能對(duì)各種電池參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，以便應(yīng)用處理器分析電池的SOC和SOH。
穩(wěn)健的通信架構(gòu)
ADI在wBMS系統(tǒng)中實(shí)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以汽車行業(yè)對(duì)可靠性和安全性的要求為核心。與Bluetooth?或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等面向消費(fèi)電子的無(wú)線技術(shù)不同，wBMS解決方案基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)，致力于在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)可靠和安全通信，這是汽車應(yīng)用所要求的。
wBMS在通用汽車量產(chǎn)電動(dòng)汽車中的使用，證明了其在最惡劣環(huán)境中的可靠性：基于wBMS的電池已在100多輛公路和越野測(cè)試車輛中運(yùn)行了數(shù)十萬(wàn)公里，涵蓋從沙漠到寒冷北方的各種環(huán)境以及最惡劣的條件。經(jīng)受考驗(yàn)的可靠性和成功通過(guò)所有OEM安全性和穩(wěn)健性認(rèn)證，使wBMS將很快應(yīng)用于各種乘用車。
ADI還通過(guò)了wBMS來(lái)支持汽車制造商的ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)計(jì)劃。無(wú)線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以特別方式開(kāi)發(fā)，使得系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)對(duì)嘈雜的環(huán)境，并利用復(fù)雜的加密技術(shù)在監(jiān)控單元和管理器之間提供安全通信。安全措施避免了罪犯或黑客等非預(yù)期接收者對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的欺騙。此外，接收到的內(nèi)容與所發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致，中間無(wú)法修改，預(yù)期接收者能夠確切地知道哪個(gè)源發(fā)送了消息。
電池價(jià)值的生命周期管理
在整個(gè)電池包的生命周期中，從初始組裝到處置再到梯次利用，電池包中嵌入的wBMS功能可確保車輛制造商及其所有者能夠輕松跟蹤電池狀況，保持性能和安全，并使其價(jià)值最大化。整個(gè)系統(tǒng)——包括電池模組的電池監(jiān)控單元和ECU之間的交互——都由ADI技術(shù)把控，配置設(shè)置由制造商定義。
wBMS技術(shù)還得到了ADI電池生命周期洞察服務(wù)(BLIS)技術(shù)的支持，從而可以通過(guò)基于邊緣和云的軟件來(lái)支持可追溯性、生產(chǎn)優(yōu)化、儲(chǔ)存運(yùn)輸中的監(jiān)控、早期故障檢測(cè)和延壽。
wBMS和BLIS技術(shù)共同使汽車制造商能夠在電池包開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)方面的投資獲得更高回報(bào)，提高其電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的經(jīng)濟(jì)性，幫助加速市場(chǎng)向低碳、可持續(xù)的個(gè)人出行未來(lái)轉(zhuǎn)變。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Norbert Bieler是一名電氣工程師，專注于微電子，先后在Siemens VDO、Continental Automotive和ADI公司工作，擁有25年的汽車管理綜合經(jīng)驗(yàn)。Norbert的專長(zhǎng)在于車輛系統(tǒng)、架構(gòu)和功能，以及用于內(nèi)飾、底盤和動(dòng)力系統(tǒng)的電子設(shè)備。在過(guò)去15年中，他一直專注于整個(gè)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力和電氣化。他領(lǐng)導(dǎo)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)和戰(zhàn)略，以及為汽車制造商、一級(jí)供應(yīng)商和戰(zhàn)略合作伙伴網(wǎng)絡(luò)定義新技術(shù)和創(chuàng)新的電動(dòng)汽車項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。
Paul Hartanto-Doeser是一名電氣工程師，在低功耗射頻、無(wú)線通信和微電子領(lǐng)域擁有20年的經(jīng)驗(yàn)。他曾在汽車門禁系統(tǒng)、半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等不同應(yīng)用領(lǐng)域擔(dān)任多種工程職務(wù)。自2021年以來(lái)，他側(cè)重于車輛電氣化專用的合格技術(shù)。他熱衷于與客戶合作，利用尖端技術(shù)構(gòu)建創(chuàng)新系統(tǒng)。
作者：ADI電動(dòng)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Norbert Bieler和ADI電動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)專家Paul Hartanto-Doeser
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