無線電池管理系統(tǒng)——通過提高電池性能、延長使用壽命和提升成本價值，實現(xiàn)智能電池生態(tài)系統(tǒng)解決方案

簡介

乘用車和商用車的電氣化正在步入市場滲透的新階段。從技術(shù)可行性論證轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)高端優(yōu)質(zhì)汽車，這種轉(zhuǎn)變是顯而易見的。技術(shù)商業(yè)化為我們帶來了更優(yōu)質(zhì)、更實惠的汽車。

但是，與傳統(tǒng)的燃油車相比，人們?nèi)匀徽J為目前大多數(shù)的電動汽車(EV)價格昂貴，缺乏吸引力。因此，要確保成功且可持續(xù)的市場增長，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影響電池系統(tǒng)在汽車整個生命周期內(nèi)的競爭力。另一方面，延長續(xù)航里程也會大大影響其市場吸引力和競爭力。此外，隨著越來越多的電動汽車達到其使用壽命，汽車制造商甚至將爭奪從報廢車輛中回收電池獲取的電池梯次利用價值。

受此需求影響，關(guān)于電池創(chuàng)新的新聞往往強調(diào)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(dāng)今的鋰技術(shù)儲存更多的電荷。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池的另一個不同部分，它用于監(jiān)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，也需要跟進并支持電池創(chuàng)新。

實際上，由ADI公司開發(fā)并由通用汽車在其模塊化Ultium電池平臺中率先采用的新型無線BMS (wBMS)技術(shù)現(xiàn)已投入量產(chǎn)。wBMS有望為汽車制造商帶來新的貫穿電池整個生命周期的競爭優(yōu)勢——從電池模組首次組裝開始到在電動汽車中運行，再到處置，甚至進入電池的梯次利用。

有線電池連接——成本高昂、笨重且復(fù)雜的方法

開發(fā)wBMS技術(shù)的動機來自于對當(dāng)今常規(guī)電動汽車電池包中通信布線缺陷的分析。該分析借鑒了ADI公司的專業(yè)知識：ADI公司在無線通信領(lǐng)域提供市場上準(zhǔn)確度非常高的BMS IC。它還為工業(yè)環(huán)境開發(fā)了非常強大的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在常規(guī)電動汽車電池包中，電池管理IC會測量每個電芯。然后，通過線路將電池管理IC中的數(shù)據(jù)回傳給電池包ECU。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)：它一般由模組組成，每個模組包含多個電芯。自然生產(chǎn)差異意味著在額定容差范圍內(nèi)，每個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(jiān)視電池運行的關(guān)鍵參數(shù)——電壓、充電/放電電流和溫度，并且每個模組都需要單獨記錄。

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

因此，電動汽車電池需要通過某種途徑將數(shù)據(jù)從每個模組或電芯（測量電壓和溫度的地方）傳輸?shù)紼CU的處理器（參見圖1）。傳統(tǒng)上，這些連接是通過電線進行的：有線連接的優(yōu)點是大家熟知且易于理解。

有線BMS的缺點

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

換言之，電線增加了開發(fā)工作、制造成本和重量，同時也降低了機械可靠性和可用空間，導(dǎo)致行駛里程減少。若能擺脫線束，汽車制造商就能靈活設(shè)計電池包的外形尺寸，以滿足車輛的設(shè)計要求。

電池線束的復(fù)雜性還使電池包的組裝變得困難且昂貴：必須手動裝配有線電池包并進行端接。這是一個高成本且危險的過程，因為電動汽車的高壓電池模組是充電的。為了維護裝配過程的安全并保護生產(chǎn)線工人，須實施嚴格的安全規(guī)程。

因此，汽車制造商有很多充分的理由在新的電動汽車電池系統(tǒng)平臺中引入可靠的無線技術(shù)。

wBMS——一種新智能方法

wBMS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)計中。它為每個電池模組提供一個無線電芯監(jiān)視控制器(wCMC)單元，并通過無線管理器單元控制通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)將多個電池模組無線連接到ECU。除無線部分外，每個wCMC單元還包括一個BMS，它能對各種電池參數(shù)進行高精度測量，以便應(yīng)用處理器分析電池的SOC和SOH。

雖然wBMS技術(shù)充分利用了消除線束設(shè)計和組裝問題的優(yōu)勢，但在電池的生命周期中，還有更多領(lǐng)域?qū)眍~外的價值：

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

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

• 維修——安全的無線功能意味著電池包的狀況可以通過授權(quán)修理廠中的診斷設(shè)備方便地分析，而無需接觸電池包。如果檢測到故障，有故障的模組可以輕松移除和更換。無線配置簡化了電池系統(tǒng)中新模組的安裝。
• 電池梯次利用——隨著汽車數(shù)量不斷增加，從報廢電動汽車中回收電池并重新用于可再生能源儲存系統(tǒng)和電動工具等應(yīng)用的電池梯次利用市場正在興起。這為負責(zé)回收或處置報廢電動汽車中電池的電動汽車制造商創(chuàng)造了新的價值來源，wBMS通過簡單地集成模組即可實現(xiàn)電池梯次利用。
• 處置——電池包內(nèi)可回收金屬和潛在危險材料的處置安排需要批準(zhǔn)和監(jiān)管。連接簡單并且沒有通信線束，使得拆卸電池模組比有線電池更輕松快捷。
• 數(shù)據(jù)管理——wBMS技術(shù)支持輕松讀取每個智能模組的關(guān)鍵電池數(shù)據(jù)，這意味著可以單獨確定每個電池的狀況。例如，這些數(shù)據(jù)可以提供關(guān)于一個模組的SOC和SOH的信息。結(jié)合模組最初生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)，將有助于模組在電池梯次利用中得到優(yōu)化使用，每個模組在銷售時都有一套詳細的規(guī)格可供查閱。這些數(shù)據(jù)現(xiàn)成可用增加了模組的轉(zhuǎn)售價值。

ADI支持wBMS的完整解決方案

ADI公司在wBMS系統(tǒng)中實施的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于全網(wǎng)時間同步技術(shù)，符合汽車行業(yè)對所有操作條件下的可靠性和安全性要求。通用汽車在量產(chǎn)電動汽車中使用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輛中運行了數(shù)十萬公里，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wBMS來支持汽車制造商的ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)計劃。無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以特別方式開發(fā)，使得系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)對嘈雜的環(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)期接收者對無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行欺騙攻擊。此外，接收到的內(nèi)容與所發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致，中間無法修改，預(yù)期接收者能夠確切地知道哪個源發(fā)送了消息。

電池價值的生命周期管理

在整個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，并充分體現(xiàn)其價值。整個系統(tǒng)——包括電池模組的電芯監(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，從而可以通過基于邊緣和云的數(shù)據(jù)軟件來支持可追溯性、生產(chǎn)優(yōu)化、儲存運輸中的監(jiān)控、早期故障檢測和延長使用壽命。wBMS和BLIS技術(shù)共同使汽車制造商能夠在電池包開發(fā)和生產(chǎn)方面的投資獲得更高回報，提高其電動汽車業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的經(jīng)濟性，幫助加速市場向低碳、可持續(xù)的個人出行未來轉(zhuǎn)變。

使用wBMS設(shè)計和實現(xiàn)這種電池解決方案的關(guān)鍵在于理解系統(tǒng)，以及支持上述設(shè)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，將與客戶一起推動這些創(chuàng)新，幫助客戶做好量產(chǎn)準(zhǔn)備，將創(chuàng)新產(chǎn)品推向市場。AVL目前正在大力開發(fā)電池生態(tài)系統(tǒng)解決方案，通過開發(fā)數(shù)據(jù)分析方法，使用虛擬開發(fā)支持的預(yù)測功能以及汽車和電池數(shù)據(jù)，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，致力于為全球客戶提供更智能的BMS解決方案。