wBMS技術(shù):電動(dòng)汽車(chē)制造商的新競爭優(yōu)勢

特斯拉對電池“超級工廠(chǎng)”的巨額投資，以及大眾汽車(chē)計劃到2030年在歐洲建設6座專(zhuān)用電池生產(chǎn)廠(chǎng)，均表明電池已成為汽車(chē)行業(yè)最具戰略意義的組成部分。

汽車(chē)制造商努力降低電池在汽車(chē)整個(gè)生命周期中的尺寸、重量和成本影響，并延長(cháng)電池支持的續航里程，這將對他們的市場(chǎng)份額和競爭力產(chǎn)生巨大影響。隨著(zhù)越來(lái)越多的舊電動(dòng)汽車(chē)達到使用壽命，汽車(chē)制造商甚至將爭奪從報廢車(chē)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)展的新聞往往強調對新材料的研究，有時(shí)甚至是非常奇特的材料，人們希望這些材料可比當下的鋰技術(shù)儲存更多電荷。而對于電池管理系統(BMS)，即監視電池的充電狀態(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(chē)在其模塊化Ultium電池中率先采用的新型無(wú)線(xiàn)電池管理系統(wBMS)技術(shù)，有望為汽車(chē)制造商帶來(lái)新的貫穿電池整個(gè)生命周期的競爭優(yōu)勢——從電池模組首次組裝開(kāi)始到在電動(dòng)汽車(chē)中運行，再到處置，甚至進(jìn)入電池的梯次利用。

繼通用汽車(chē)發(fā)布Hummer EV（眾多配備wBMS車(chē)型中的第一款）之后，ADI開(kāi)展了一系列生產(chǎn)計劃，展示了基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)如何實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)電池的設計、生產(chǎn)、維修和處置的轉型。

與電池中有線(xiàn)連接相關(guān)的成本、空間、重量和設計問(wèn)題

ADI開(kāi)發(fā)wBMS技術(shù)的靈感來(lái)自于對常規電動(dòng)汽車(chē)電池包中通信布線(xiàn)缺陷的分析。該分析借鑒了ADI的專(zhuān)業(yè)知識：ADI提供市場(chǎng)上準確度非常高的常規BMS，而在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，ADI是5G無(wú)線(xiàn)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)了非常強大的Mesh網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

在常規電動(dòng)汽車(chē)電池中，通過(guò)布線(xiàn)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調節電池的運行以確保其為車(chē)輛提供電力。

電池內部的這種通信需求反映了大型電池包的復雜架構：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(zhù)在額定容差范圍內，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，需要監視電池運行的關(guān)鍵參數——電壓、充電/放電電流和溫度，并且每個(gè)模組都需要單獨記錄。這是BMS中單元監控單元的工作。

但是，每個(gè)電池的數據只有在到達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，并維護電池的安全功能。

因此，電動(dòng)汽車(chē)電池需要通過(guò)某種途徑將數據從每個(gè)模組（測量電壓、電流和溫度的地方）傳輸到ECU的處理器（參見(jiàn)圖1）。傳統上，這些連接是通過(guò)電線(xiàn)進(jìn)行的：有線(xiàn)連接的優(yōu)點(diǎn)是大家熟知且易于理解。

圖1 典型的復雜、多組件有線(xiàn)BMS網(wǎng)絡(luò )（左），以及由ADI公司wBMS技術(shù)實(shí)現的更簡(jiǎn)單布置（右）

但其缺點(diǎn)也非常多：銅線(xiàn)束很重，占用的空間如果由電池填充的話(huà)，則會(huì )提供更大的電能容量。此外，連接器可能會(huì )出現機械故障。換言之，電線(xiàn)增加了開(kāi)發(fā)工作、制造成本和重量，同時(shí)也降低了機械可靠性和可用空間，導致行駛里程減少。如能擺脫線(xiàn)束，汽車(chē)制造商也會(huì )獲得新的靈活性來(lái)設計電池包的外形尺寸，以適應車(chē)輛的設計要求。

電池線(xiàn)束的復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(xiàn)電池包并進(jìn)行端接。這是一個(gè)高成本且危險的過(guò)程，因為電動(dòng)汽車(chē)的高壓電池模組是充電的。為了維護裝配過(guò)程的安全并保護生產(chǎn)線(xiàn)工人，須實(shí)施嚴格的安全規程。

ADI模塊化且可擴展的wBMS系統平臺提供的優(yōu)勢是：OEM可以將電池包組裝完全自動(dòng)化。取消（信號）線(xiàn)束后，電池模組唯一需要的連接是電源端子，這可以由機器人在自動(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(xiàn)工人的安全風(fēng)險（參見(jiàn)圖2）。

圖2 wBMS技術(shù)消除了信號線(xiàn)束，從而支持完整電池包的自動(dòng)化機器人生產(chǎn)

在通用汽車(chē)實(shí)施wBMS技術(shù)的過(guò)程中，Ultium模組的可擴展架構也有助于降低通用汽車(chē)的電池包成本。雖然Ultium電池于2021年首次亮相，但此類(lèi)模組將部署在通用汽車(chē)的所有車(chē)型中，不僅用于重型車(chē)輛，還用于所有公路汽車(chē)——從高性能和高檔汽車(chē)到小型車(chē)輛。正如通用汽車(chē)全球電氣化和電池系統執行董事Kent Helfrich在2020年9月的新聞公告中提到，“可擴展性和降低復雜性是我們Ultium電池的主題——無(wú)線(xiàn)管理系統是這種驚人靈活性的關(guān)鍵推動(dòng)力”。

因此，汽車(chē)制造商有很多充分的理由在新的電動(dòng)汽車(chē)電池系統中用穩健的無(wú)線(xiàn)技術(shù)取代BMS電線(xiàn)。但是，ADI公司wBMS技術(shù)的優(yōu)勢不僅僅局限于在特許經(jīng)銷(xiāo)商前廳出售的新車(chē)。

■   維修——安全的無(wú)線(xiàn)功能意味著(zhù)電池包的狀況可以通過(guò)授權修理廠(chǎng)中的診斷設備方便地分析，而無(wú)需接觸電池包。如果檢測到故障，有故障的模組可以輕松移除和更換。無(wú)線(xiàn)配置簡(jiǎn)化了電池系統中新模組的安裝。

■   處置——電池包內可回收金屬和潛在危險材料的處置安排需要批準和監管。簡(jiǎn)單的連接和通信線(xiàn)束取消，使得電池模組的拆卸比有線(xiàn)電池更容易且更快速。

■   梯次利用——未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的壽命可能會(huì )超過(guò)車(chē)輛本身的壽命：特斯拉總裁埃隆·馬斯克估計，電池在完全失效之前的典型壽命相當于“100萬(wàn)英里”。因此，從報廢電動(dòng)汽車(chē)中回收電池并重新用于可再生能源儲存系統和電動(dòng)工具等應用的二次電池市場(chǎng)正在興起。這為負責回收或處置報廢電動(dòng)汽車(chē)中電池的電動(dòng)車(chē)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)鍵電池數據，這意味著(zhù)可以單獨確定每個(gè)電池的狀況。例如，該數據可以提供關(guān)于一個(gè)模組的SOC和SOH的信息。結合模組最初生產(chǎn)時(shí)的數據，二次電池模組將能在下一應用中得到優(yōu)化使用，每個(gè)模組在銷(xiāo)售時(shí)都有一套詳細的規格可供查閱。數據的現成可用性增加了模組的轉售價(jià)值。

用于電池數據采集的完整無(wú)線(xiàn)系統

wBMS技術(shù)利用了ADI的兩項長(cháng)期優(yōu)勢積累：傳感測量和射頻通信。wBMS技術(shù)是一種完整的解決方案，汽車(chē)制造商很容易將其集成到電池包設計中。它為每個(gè)電池模組提供一個(gè)無(wú)線(xiàn)電池監視控制器(wCMC)單元，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)連接到ECU。

除無(wú)線(xiàn)部分外，每個(gè)wCMC單元還包括一個(gè)一流的電池管理系統，它能對各種電池參數進(jìn)行高精度測量，以便應用處理器分析電池的SOC和SOH。

穩健的通信架構

ADI在wBMS系統中實(shí)施的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以汽車(chē)行業(yè)對可靠性和安全性的要求為核心。與Bluetooth?或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )等面向消費電子的無(wú)線(xiàn)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)現可靠和安全通信，這是汽車(chē)應用所要求的。

wBMS在通用汽車(chē)量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)中的使用，證明了其在最?lèi)毫迎h(huán)境中的可靠性：基于wBMS的電池已在100多輛公路和越野測試車(chē)輛中運行了數十萬(wàn)公里，涵蓋從沙漠到寒冷北方的各種環(huán)境以及最?lèi)毫拥臈l件。經(jīng)受考驗的可靠性和成功通過(guò)所有OEM安全性和穩健性認證，使wBMS將很快應用于各種乘用車(chē)。

ADI還通過(guò)了wBMS來(lái)支持汽車(chē)制造商的ISO 26262功能安全標準合規計劃。無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以特別方式開(kāi)發(fā)，使得系統能夠很好地應對嘈雜的環(huán)境，并利用復雜的加密技術(shù)在監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期接收者對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳輸的數據的欺騙。此外，接收到的內容與所發(fā)送的數據完全一致，中間無(wú)法修改，預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(chē)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——包括電池模組的電池監控單元和ECU之間的交互——都由ADI技術(shù)把控，配置設置由制造商定義。

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、儲存運輸中的監控、早期故障檢測和延壽。

wBMS和BLIS技術(shù)共同使汽車(chē)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，提高其電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)戰略的經(jīng)濟性，幫助加速市場(chǎng)向低碳、可持續的個(gè)人出行未來(lái)轉變。