簡(jiǎn)介

乘用車(chē)和商用車(chē)的電氣化正在步入市場(chǎng)滲透的新階段。從技術(shù)可行性論證轉向大規模生產(chǎn)高端優(yōu)質(zhì)汽車(chē)，這種轉變是顯而易見(jiàn)的。技術(shù)商業(yè)化為我們帶來(lái)了更優(yōu)質(zhì)、更實(shí)惠的汽車(chē)。

但是，與傳統的燃油車(chē)相比，人們仍然認為目前大多數的電動(dòng)汽車(chē)(EV)價(jià)格昂貴，缺乏吸引力。因此，要確保成功且可持續的市場(chǎng)增長(cháng)，降低成本和提高性能是關(guān)鍵?？s小尺寸、減輕重量和降低成本會(huì )影響電池系統在汽車(chē)整個(gè)生命周期內的競爭力。另一方面，延長(cháng)續航里程也會(huì )大大影響其市場(chǎng)吸引力和競爭力。此外，隨著(zhù)越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)達到其使用壽命，汽車(chē)制造商甚至將爭奪從報廢車(chē)輛中回收電池獲取的電池梯次利用價(jià)值。

受此需求影響，關(guān)于電池創(chuàng )新的新聞往往強調新電池封裝概念和新材料，有朝一日這些新材料或許能夠比當今的鋰技術(shù)儲存更多的電荷。電池管理系統(BMS)是電池的另一個(gè)不同部分，它用于監視電池的充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)，但往往得不到關(guān)注，也需要跟進(jìn)并支持電池創(chuàng )新。

實(shí)際上，由ADI公司開(kāi)發(fā)并由通用汽車(chē)在其模塊化Ultium電池平臺中率先采用的新型無(wú)線(xiàn)BMS (wBMS)技術(shù)現已投入量產(chǎn)。wBMS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。

有線(xiàn)電池連接——成本高昂、笨重且復雜的方法

開(kāi)發(fā)wBMS技術(shù)的動(dòng)機來(lái)自于對當今常規電動(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公司的專(zhuān)業(yè)知識：ADI公司在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域提供市場(chǎng)上準確度非常高的BMS IC。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)電池包中，電池管理IC會(huì )測量每個(gè)電芯。然后，通過(guò)線(xiàn)路將電池管理IC中的數據回傳給電池包ECU。電池內部的這種通信需求反映了大型電池包的復雜架構：它一般由模組組成，每個(gè)模組包含多個(gè)電芯。自然生產(chǎn)差異意味著(zhù)在額定容差范圍內，每個(gè)電芯都有自己的特性。為了充分提高電池容量、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。

圖1.典型的多組件有線(xiàn)BMS網(wǎng)絡(luò )（左），以及由wBMS技術(shù)實(shí)現的更簡(jiǎn)單的布置（右）。

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)模組或電芯（測量電壓和溫度的地方）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。

有線(xiàn)BMS的缺點(diǎn)

但是，有線(xiàn)BMS也有許多缺點(diǎn)：銅線(xiàn)束會(huì )增加重量，并占用空間，如果該空間用于放置電芯，則會(huì )提供更多的電能容量。此外，該線(xiàn)束需要固定在電池外殼結構上，連接器可能會(huì )出現機械故障，尤其是在受到振動(dòng)和沖擊時(shí)。

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。若能擺脫線(xiàn)束，汽車(chē)制造商就能靈活設計電池包的外形尺寸，以滿(mǎn)足車(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。

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)電池系統平臺中引入可靠的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

wBMS——一種新智能方法

wBMS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)電芯監視控制器(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)BMS，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。

雖然wBMS技術(shù)充分利用了消除線(xiàn)束設計和組裝問(wèn)題的優(yōu)勢，但在電池的生命周期中，還有更多領(lǐng)域將帶來(lái)額外的價(jià)值：

?   電池組裝——電池模組只需連接電源端子，這可以在高度自動(dòng)化過(guò)程中輕松完成。通過(guò)消除組裝和測試這兩項體力勞動(dòng)，還能消除裝配線(xiàn)工人的安全風(fēng)險（參見(jiàn)圖2）。此外，將模組安裝到電池內部之前，還可以對其進(jìn)行測試和匹配。

圖2.wBMS技術(shù)消除了BMS信號線(xiàn)束，可實(shí)現電池包的自動(dòng)化機器人生產(chǎn)。

?      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。

?      電池梯次利用——隨著(zhù)汽車(chē)數量不斷增加，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)工具等應用的電池梯次利用市場(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)汽車(chē)制造商創(chuàng )造了新的價(jià)值來(lái)源，wBMS通過(guò)簡(jiǎn)單地集成模組即可實(shí)現電池梯次利用。

?      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。連接簡(jiǎn)單并且沒(méi)有通信線(xiàn)束，使得拆卸電池模組比有線(xiàn)電池更輕松快捷。

?      數據管理——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，這些數據可以提供關(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，將有助于模組在電池梯次利用中得到優(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。這些數據現成可用增加了模組的轉售價(jià)值。

ADI支持wBMS的完整解決方案

ADI公司在wBMS系統中實(shí)施的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)，符合汽車(chē)行業(yè)對所有操作條件下的可靠性和安全性要求。通用汽車(chē)在量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)中使用wBMS，證明了其在惡劣環(huán)境中的可靠性：基于wBMS的電池已在100多輛公路和越野測試車(chē)輛中運行了數十萬(wàn)公里，涵蓋從沙漠到寒冷北方等各種環(huán)境下的惡劣條件。

ADI公司還通過(guò)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 )上傳輸的數據進(jìn)行欺騙攻擊。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，并充分體現其價(jià)值。整個(gè)系統——包括電池模組的電芯監控單元和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公司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)基于邊緣和云的數據軟件來(lái)支持可追溯性、生產(chǎn)優(yōu)化、儲存運輸中的監控、早期故障檢測和延長(cháng)使用壽命。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。

使用wBMS設計和實(shí)現這種電池解決方案的關(guān)鍵在于理解系統，以及支持上述設計和技術(shù)的方法和工具。AVL提供全方位的仿真、測試、工程服務(wù)，擁有豐富的經(jīng)驗，將與客戶(hù)一起推動(dòng)這些創(chuàng )新，幫助客戶(hù)做好量產(chǎn)準備，將創(chuàng )新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。AVL目前正在大力開(kāi)發(fā)電池生態(tài)系統解決方案，通過(guò)開(kāi)發(fā)數據分析方法，使用虛擬開(kāi)發(fā)支持的預測功能以及汽車(chē)和電池數據，以提高電池的使用壽命和性能。

AVL與ADI攜手合作，集兩家之長(cháng)，致力于為全球客戶(hù)提供更智能的BMS解決方案。