電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電池管理革命已經(jīng)開(kāi)始，投資回報潛力巨大

從設計和制造到電池再利用和安全保護的高級成本分析，揭示了OEM有機會(huì )利用wBMS提高下一代電動(dòng)汽車(chē)的利潤。

電動(dòng)汽車(chē)(EV)行業(yè)向無(wú)線(xiàn)電池管理系統(wBMS)的演進(jìn)在許多方面都是不可避免的。對于任何飽受有線(xiàn)系統固有的復雜性、BOM成本、空間和人力代價(jià)所困擾的人來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)BMS相對于有線(xiàn)BMS的優(yōu)勢是非常明顯的，無(wú)論針對什么應用。

相比之下，wBMS有望為下一代電動(dòng)汽車(chē)節省高達90%的布線(xiàn)和高達15%的電池組體積。這是通過(guò)消除通信線(xiàn)束和連接器來(lái)實(shí)現的，取而代之的是采用全集成式電子器件的智能電池模塊——唯一暴露的連接器是+ve和–ve端子。

但是，要實(shí)現wBMS技術(shù)可帶來(lái)的好處，只能通過(guò)對設計、驗證和制造基礎設施進(jìn)行大規模投資以提供支持。此外，為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)系統特有的安全要求，必須對電池組從制造到再利用的整個(gè)生命周期的每個(gè)階段進(jìn)行自上而下的重新評估。

圖1 ADI公司推出汽車(chē)行業(yè)首個(gè)用于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)電池管理系統

乍一看，這項工作的規模似乎對OEM的采用設置了無(wú)法克服的障礙。ADI公司和通用汽車(chē)公司在wBMS技術(shù)一開(kāi)始就承擔了這項投資，預計未來(lái)幾年其進(jìn)入主流商用（也許無(wú)處不在）之后，將大幅節省成本并提高制造的可擴展性和效率。

需要明確的是，將wBMS視為快速節省成本機會(huì )的OEM應該立即重新設定他們的期望。為了充分發(fā)揮wBMS的成本優(yōu)勢，OEM必須首先將電池組視為資產(chǎn)，需要隨著(zhù)時(shí)間推移——從車(chē)載“第一次使用”到“第二次使用”——進(jìn)行有效管理，以實(shí)現盡可能高的投資回報率。唯有如此，wBMS的成本節約優(yōu)勢才能清晰而充分地體現出來(lái)。

ADI公司接受了wBMS帶來(lái)的無(wú)數設計挑戰，通過(guò)辛勤工作和投資實(shí)現了完整、可擴展的wBMS解決方案，成功滿(mǎn)足了從概念到發(fā)布全程支持OEM的要求。在此過(guò)程中，我們發(fā)現了更多提升設計和成本效率的機會(huì )，這將為視wBMS為明確發(fā)展路徑的OEM鋪平道路。根據早期的OEM反饋，從長(cháng)遠來(lái)看，wBMS預計將更具成本效益和其他優(yōu)勢，這有利于其在電動(dòng)汽車(chē)全行業(yè)范圍內實(shí)施。

制造效率優(yōu)勢

為了實(shí)施wBMS技術(shù)，需要重新構想電動(dòng)汽車(chē)工廠(chǎng)的設計方式。但是，當考慮所有活動(dòng)部件（有些確實(shí)是活動(dòng)的）時(shí)，從生產(chǎn)到產(chǎn)品完全無(wú)線(xiàn)化的優(yōu)點(diǎn)就變得非常明顯。

據觀(guān)察，幾乎全由機器人制造與完全由機器人制造之間存在很大差異。簡(jiǎn)而言之，一旦裝備高速機器人的工廠(chǎng)車(chē)間環(huán)境中有人的存在，就必須采取大量安全措施來(lái)保護他們，這會(huì )從本質(zhì)上降低生產(chǎn)效率，與完全端到端的自動(dòng)化不可同日而語(yǔ)。

對于wBMS生產(chǎn)，整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間可以使用無(wú)線(xiàn)通信，這就真正為非接觸式、全機器人EV電池組制造打開(kāi)了大門(mén)。除了在車(chē)輛方面利用wBMS的優(yōu)勢之外，OEM還無(wú)需花費寶貴的人力去手動(dòng)為電池組接線(xiàn)和/或測試模塊與連接（此作業(yè)還需要持續的安全培訓），從而進(jìn)一步降低資本支出和運營(yíng)支出。

圖2 非接觸式、全自動(dòng)制造是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的強勁發(fā)展趨勢

wBMS在這一方面為新興OEM和成熟OEM提供了同樣的機會(huì )，即繞過(guò)傳統的有線(xiàn)生產(chǎn)，轉而采用完全無(wú)線(xiàn)、完全機器人的制造方式。這使他們能夠提高制造效率和靈活性，充分利用有限的預算，保持敏捷，以與財力雄厚的老牌玩家競爭。由于無(wú)需專(zhuān)門(mén)用于完成時(shí)間和成本密集型任務(wù)的機器人來(lái)操作有線(xiàn)電池組線(xiàn)束，所以各種規模的OEM都能實(shí)現高速、高效率機器人生產(chǎn)的全部好處。ADI公司開(kāi)發(fā)了wBMS，以便在生產(chǎn)的每一步都能支持自動(dòng)化，使OEM更容易過(guò)渡到支持wBMS的工廠(chǎng)。

增強整個(gè)生命周期中的可擴展性和靈活性

采用wBMS的OEM和電池供應商可以自由地設計和生產(chǎn)所需要的任何電池組變體，而無(wú)需設計線(xiàn)束。針對不同型號車(chē)輛，他們可以采用軟件可配置的通用wBMS平臺，總體開(kāi)發(fā)成本更低。這仍然是wBMS價(jià)值主張的核心：OEM獲得更大的靈活性，各種級別的電動(dòng)汽車(chē)都能擴展到規模生產(chǎn)，以滿(mǎn)足不斷變化的消費者需求。通過(guò)采用wBMS來(lái)支持其突破性的Ultium電池平臺，通用汽車(chē)公司得以將該平臺擴展到其不同品牌和車(chē)輛細分市場(chǎng)，從作業(yè)卡車(chē)到高性能汽車(chē)。概言之，通用汽車(chē)公司依賴(lài)wBMS技術(shù)以實(shí)現旗下各種車(chē)型的更廣泛電氣化。

但是，為了降低電池組在其使用壽命期間的碳足跡，同時(shí)擴大相關(guān)的收入潛力，還有很多事情可以做。這是通過(guò)“減少、修復和再利用”策略實(shí)現的，因為wBMS可以幫助減少代價(jià)高昂的車(chē)輛召回，簡(jiǎn)化維修，并促進(jìn)電池再利用作為替代報廢和回收的首選方案。

wBMS使維護備用模塊庫存變得相當容易，而且在車(chē)輛維修期間更換電池組也容易得多。再也不會(huì )因為要跟蹤和定位庫存，或在請求維修期間嘗試移除電池線(xiàn)束（而不破壞它）而造成時(shí)間損失或挫敗感。模塊在供應鏈中移動(dòng)以及最終從庫存貨架裝到車(chē)輛時(shí)，只需簡(jiǎn)單進(jìn)行掃描，安裝的簡(jiǎn)便性是傳統有線(xiàn)BMS無(wú)法比擬的。這不僅僅影響電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)階段的服務(wù)。電池組設計師不再需要花費寶貴的時(shí)間和空間來(lái)考慮線(xiàn)束的拆卸和更換，從而可以加快設計并提供更高能量密度的電池組。

wBMS還支持電池測量和報告自身的性能，增強早期故障檢測，幫助避免代價(jià)高昂的車(chē)輛召回，同時(shí)優(yōu)化電池組裝配。在整個(gè)電池生命周期中均可遠程監測數據，從組裝到倉儲和運輸，再到安裝和維護。

對于希望最大限度地延長(cháng)電池組的使用壽命和提高收入潛力的OEM而言，wBMS使二次電池的再利用效率更高。由于沒(méi)有線(xiàn)束，電池組更容易維修和重復使用，可確保使用壽命盡可能長(cháng)，整體碳足跡更環(huán)保。一旦電池達到一定的健康狀態(tài)，OEM就可以很容易地將用過(guò)的電池轉售用于太陽(yáng)能或風(fēng)能存儲等應用。

ADI公司估計，采用這種“減少、修復和再利用”策略的OEM，如果修復而不是當垃圾處理電池組，每個(gè)電池組將能減少7噸的碳排放。在成本節約方面，OEM通常指定大約1000美元用于回收每臺電動(dòng)汽車(chē)的電池組，這可能超過(guò)了OEM在原車(chē)銷(xiāo)售中獲得的利潤，因此對于OEM來(lái)說(shuō)，探索如何盡快轉售其用過(guò)的電動(dòng)汽車(chē)電池以獲取最大收益，具有很好的商業(yè)意義。

圖3 電池組更易于維修、再利用和回收

器件安全性和設計成功

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)電池組的壽命周期進(jìn)一步延長(cháng)，在從制造到服務(wù)再到退役的過(guò)程中，每個(gè)wBMS模塊都要維持嚴格安全協(xié)議的必要性越來(lái)越大。OEM必須始終保持電池模塊的完整性，如果無(wú)法獨立驗證其安全狀態(tài)，模塊二次使用的價(jià)值就有被否定的風(fēng)險。

對于車(chē)輛的可維修性，這也具有重要意義。wBMS模塊可以設計成能夠對自身進(jìn)行驗證，電池組可以設計成自動(dòng)拒絕不符合要求的“壞”模塊。這還能更輕松地確保只有正品備件才能進(jìn)入電池組，并在有保證的情況下由經(jīng)批準的服務(wù)代理商安裝。

同樣，對于試圖發(fā)掘wBMS全部?jì)?yōu)勢的OEM而言，實(shí)施這些措施可能成本過(guò)高和/或被視為一個(gè)主要障礙。為覆蓋電池或模塊整個(gè)生命周期的新通信平臺設計全新安全架構的前景，對OEM來(lái)說(shuō)很難接受。

ADI公司在wBMS和安全模塊追溯功能方面的重大持續投資，減輕了OEM的負擔，使其無(wú)需花費大量時(shí)間和成本以在供應鏈中實(shí)施安全定位，以及（或者）管理無(wú)法從公鑰證書(shū)方案的便利性中受益的系統。如果已經(jīng)為OEM提前完成這些艱巨的工作，他們就不需要聘請一支敬業(yè)（且昂貴?。┑捻敿壘W(wǎng)絡(luò )安全專(zhuān)家團隊。ADI公司可以幫助OEM以非常低的資本開(kāi)支從一開(kāi)始就滿(mǎn)足這些嚴格的安全要求。

需要一種全面的設計戰略來(lái)幫助OEM最大限度地發(fā)揮其在wBMS技術(shù)上的投資的全部?jì)r(jià)值，而不必擔心任何一個(gè)失誤都可能破壞預期的整體成本節約。早在CAD繪圖階段開(kāi)始之前，ADI公司先進(jìn)的電池組仿真技術(shù)便可通過(guò)對電池組的仿真“數字孿生”進(jìn)行全面評估來(lái)預測wBMS系統性能，從而有力地幫助OEM實(shí)現首次設計即成功。

這將有助于為OEM針對wBMS開(kāi)發(fā)的電池組建立舒適的設計裕量，同時(shí)也有助于確認wBMS與組件的周邊生態(tài)系統的互操作性。這是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵點(diǎn)：從開(kāi)發(fā)角度看，wBMS必須設計得非常健壯才能真正降低成本。

勉強“足夠好”的wBMS設計可能會(huì )在這里或那里節省一些系統成本，但隨著(zhù)后期設計階段開(kāi)始出現系統缺陷，這些前期節省可能會(huì )被相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本完全抵消。架構良好、靈活的wBMS設計可以避免因為針對個(gè)別車(chē)型調整個(gè)別電池組而導致的成本超支和挫折，從而為OEM的電池組平臺提供更大的整體可擴展性。

wBMS的美好未來(lái)

據OEM反饋，相對于傳統有線(xiàn)BMS，成熟wBMS技術(shù)可以簡(jiǎn)化制造流程并降低資本/運營(yíng)支出，從而為每輛乘用電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)高達250美元的成本節省?？紤]到隨之而來(lái)的車(chē)輛/電池服務(wù)和庫存監控效率，以及電池組回收和再利用所帶來(lái)的增加整體利潤的機會(huì )，不難設想下一代電動(dòng)汽車(chē)設計中的wBMS技術(shù)會(huì )有一個(gè)有利可圖且可持續的未來(lái)。

通用汽車(chē)公司是眾多OEM中第一家擁抱wBMS的公司，令人驚訝的是，在所有車(chē)型中，他們選擇用來(lái)首次展示wBMS優(yōu)勢的竟然是一款超大型SUV——人們對這種車(chē)型的最大印象可能是其對環(huán)境影響非常大。如果GMC Hummer能夠轉變成為全電動(dòng)綠色交通的典范，那么電動(dòng)汽車(chē)成為主流的最后障礙肯定會(huì )在我們眼前崩塌，而wBMS技術(shù)將在這一轉型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖4 世界上首個(gè)wBMS生產(chǎn)系統的架構。電池組監控硬件和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )、安全及安保軟件由ADI公司提供

關(guān)于作者

Shane O'Mahony是ADI公司wBMS產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)主管。在領(lǐng)導wBMS產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)之前，Shane曾擔任高性能射頻無(wú)線(xiàn)電系統的芯片負責人12年。Shane的職責是與OEM和一級供應商合作，以實(shí)現無(wú)線(xiàn)電池管理的系統級和可持續性?xún)?yōu)勢。