作者：Stephan Prüfling，AVL電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理

Norbert Bieler，ADI公司電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)

簡(jiǎn)介

乘用車和商用車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(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(shí)惠的汽車。

但是，與傳統(tǒng)的燃油車相比，人們?nèi)匀徽J(rèn)為目前大多數(shù)的電動(dòng)汽車(EV)價(jià)格昂貴，缺乏吸引力。因此，要確保成功且可持續(xù)的市場(chǎng)增長(zhǎng)，降低成本和提高性能是關(guān)鍵。縮小尺寸、減輕重量和降低成本會(huì)影響電池系統(tǒng)在汽車整個(gè)生命周期內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，延長(zhǎng)續(xù)航里程也會(huì)大大影響其市場(chǎng)吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力。此外，隨著越來越多的電動(dòng)汽車達(dá)到其使用壽命，汽車制造商甚至將爭(zhēng)奪從報(bào)廢車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(qiáng)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(chǔ)存更多的電荷。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池的另一個(gè)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(jìn)并支持電池創(chuàng)新。

實(shí)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(tái)中率先采用的新型無(wú)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(gè)生命周期的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)——從電池模組首次組裝開始到在電動(dòng)汽車中運(yùn)行，再到處置，甚至進(jìn)入電池的梯次利用。

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(dòng)機(jī)來自于對(duì)當(dāng)今常規(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公司的專業(yè)知識(shí)：ADI公司在無(wú)線通信領(lǐng)域提供市場(chǎng)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(qiáng)大的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在常規(guī)電動(dòng)汽車電池包中，電池管理IC會(huì)測(cè)量每個(gè)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(gè)模組包含多個(gè)電芯。自然生產(chǎn)差異意味著在額定容差范圍內(nèi)，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(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。

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

因此，電動(dòng)汽車電池需要通過某種途徑將數(shù)據(jù)從每個(gè)模組或電芯（測(cè)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(jìn)行的：有線連接的優(yōu)點(diǎn)是大家熟知且易于理解。

有線BMS的缺點(diǎn)

但是，有線BMS也有許多缺點(diǎn)：銅線束會(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，該線束需要固定在電池外殼結(jié)構(gòu)上，連接器可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障，尤其是在受到振動(dòng)和沖擊時(shí)。

換言之，電線增加了開發(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。若能擺脫線束，汽車制造商就能靈活設(shè)計(jì)電池包的外形尺寸，以滿足車輛的設(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。

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)平臺(tái)中引入可靠的無(wú)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(jì)中。它為每個(gè)電池模組提供一個(gè)無(wú)線電芯監(jiān)視控制器(wCMC)單元，并通過無(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)BMS，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。

雖然wBMS技術(shù)充分利用了消除線束設(shè)計(jì)和組裝問題的優(yōu)勢(shì)，但在電池的生命周期中，還有更多領(lǐng)域?qū)眍~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)化過程中輕松完成。通過消除組裝和測(cè)試這兩項(xiàng)體力勞動(dòng)，還能消除裝配線工人的安全風(fēng)險(xiǎn)（參見圖2）。此外，將模組安裝到電池內(nèi)部之前，還可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和匹配。

圖2.wBMS技術(shù)消除了BMS信號(hào)線束，可實(shí)現(xiàn)電池包的自動(dòng)化機(jī)器人生產(chǎn)。

?維修——安全的無(wú)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(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。

?電池梯次利用——隨著汽車數(shù)量不斷增加，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)用的電池梯次利用市場(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)汽車制造商創(chuàng)造了新的價(jià)值來源，wBMS通過簡(jiǎn)單地集成模組即可實(shí)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(xiǎn)材料的處置安排需要批準(zhǔn)和監(jiān)管。連接簡(jiǎn)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(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，這些數(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)，將有助于模組在電池梯次利用中得到優(yōu)化使用，每個(gè)模組在銷售時(shí)都有一套詳細(xì)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(jià)值。

ADI支持wBMS的完整解決方案

ADI公司在wBMS系統(tǒng)中實(shí)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)，符合汽車行業(yè)對(duì)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(dòng)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(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(jì)劃。無(wú)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(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)進(jìn)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(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，并充分體現(xiàn)其價(jià)值。整個(gè)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(chǔ)存運(yùn)輸中的監(jiān)控、早期故障檢測(cè)和延長(zhǎng)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(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)人出行未來轉(zhuǎn)變。

使用wBMS設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)和技術(shù)的方法和工具。AVL提供全方位的仿真、測(cè)試、工程服務(wù)，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，將與客戶一起推動(dòng)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(chǎng)。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(cè)功能以及汽車和電池?cái)?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(zhǎng)，致力于為全球客戶提供更智能的BMS解決方案。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財(cái)年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬(wàn)人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn

關(guān)于作者

Stephan Prüfling (M.Sc.)投身于工業(yè)工程和電氣工程領(lǐng)域，主要研究電動(dòng)交通和電網(wǎng)。他于2016年加入AVL擔(dān)任產(chǎn)品經(jīng)理，主要研究電動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件解決方案，例如電動(dòng)馬達(dá)和動(dòng)力電子設(shè)備。目前，他主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品管理，包括電池管理解決方案和該領(lǐng)域領(lǐng)先的創(chuàng)新項(xiàng)目。

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)目的開發(fā)。