實現(xiàn)智能電池生態(tài)系統(tǒng)解決方案

作者：Stephan Prüflingand Norbert Bieler

乘用車和商用車的電氣化正在進入市場滲透的新階段。從技術可行性論證的轉變 高檔汽車的量產(chǎn)是顯而易見的。技術的商業(yè)化帶來了更優(yōu)化和更實惠的車輛。

盡管如此，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，大多數(shù)最新一代電動汽車（EV）仍然被認為昂貴或吸引力較低。因此，降低成本和提高性能是確保成功和可持續(xù)市場增長的關鍵。減小尺寸、重量和降低成本會影響電池系統(tǒng)在車輛整個生命周期內(nèi)的競爭優(yōu)勢。另一方面，續(xù)航里程的延長也會對其市場吸引力和競爭力產(chǎn)生重大影響。此外，隨著越來越多的電動汽車達到使用壽命，汽車制造商甚至將爭奪從報廢車輛中回收的二次電池的價值。

出于這種需求，有關電池創(chuàng)新的新聞往往會突出新的電池包裝概念和新材料，這些概念和新材料有朝一日可能能夠儲存。 比今天的鋰技術充電更多。電池的另一部分 - 電池管理系統(tǒng) （BMS），用于監(jiān)控充電狀態(tài) （SOC） 和 電池的健康狀態(tài) （SOH） 往往不為人知，但需要跟蹤和支持電池創(chuàng)新。

在這里，由ADI公司開發(fā)并由通用汽車在其模塊化Ultium電池平臺中率先推出的新型無線BMS（wBMS）技術現(xiàn)已發(fā)布。 到批量生產(chǎn)。wBMS為汽車制造商在電池的整個生命周期內(nèi)提供了新的競爭優(yōu)勢 - 從電池模塊首次組裝開始，到在電動汽車中運行，再到處置，甚至在需要時進入電池的第二次壽命。

有線電池連接 — 昂貴、繁重且復雜的方法

wBMS技術開發(fā)的意圖是基于對當今傳統(tǒng)電動汽車電池組中通信布線缺點的分析。該分析借鑒了ADI的專業(yè)知識：它為無線通信領域提供市場上最精確的BMS IC。ADI還為工業(yè)環(huán)境開發(fā)了世界上最強大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術。

在傳統(tǒng)的EV電池組中，每個電池單元都由電池管理IC測量。然后，來自電池管理IC的數(shù)據(jù)通過接線傳輸回電池組ECU。這種對電池內(nèi)部通信的要求反映了大型電池組的復雜架構：它通常由模塊組成，每個模塊包含多個電池。自然生產(chǎn)變化意味著每個細胞都有單獨的特征，這些特征在指定的公差范圍內(nèi)變化。為了最大限度地提高電池容量、使用壽命和性能，電池運行的關鍵參數(shù) — 電壓、充電/放電電流和 溫度—需要為每個模塊單獨監(jiān)控和記錄。

這就是為什么電動汽車的電池需要一種方法將數(shù)據(jù)從測量電壓和溫度的每個模塊或單元傳輸?shù)紼CU處理器的原因。傳統(tǒng)上，這些連接是用電線進行的：有線連接的優(yōu)點是熟悉和易于理解。

有線BMS的缺點

然而，還有一系列與電線相關的缺點：銅線束增加了額外的重量并占用了空間，如果由電池填充，將提供額外的能量容量。此外，接線需要固定在電池外殼結構上，連接器可能會遭受機械故障，尤其是在振動和沖擊條件下。

換句話說，電線增加了開發(fā)工作量、制造成本和重量，同時還降低了機械可靠性和可用空間。這導致行駛里程減少。通過移除線束，汽車制造商獲得了新的靈活性，以滿足車輛對其電池組外形的設計要求。

電池線束的復雜性也使電池組的組裝變得困難且昂貴：必須組裝有線組，并且必須手動端接連接。這是一個昂貴且危險的過程，因為高壓電動汽車電池模塊是充電的。為了維護裝配過程的安全并保護生產(chǎn)線工人，我們采用了嚴格的安全協(xié)議。

出于這些原因，OEM廠商有充分的理由在新的電動汽車電池系統(tǒng)平臺中引入強大的無線技術。

wBMS — 一種新的智能方法

wBMS是一個完整的解決方案，汽車制造商很容易集成到電池組設計中。它包括一個用于每個電池模塊的無線單元監(jiān)控控制器（wCMC）單元和一個用于控制通信網(wǎng)絡的無線管理器單元，該單元將多個電池模塊無線連接到ECU。除了無線部分外，每個wCMC單元還包括一個BMS，可對各種電池參數(shù)進行高精度測量，以便應用處理單元可以分析電池的SOC和SOH。

雖然wBMS技術充分利用了消除線束設計和裝配問題的優(yōu)勢，但在電池生命周期中還有更多領域將產(chǎn)生額外的價值：

電池組件—電池模塊唯一需要的連接是電源端子，這可以通過高度自動化的過程輕松完成。通過消除裝配和測試的體力勞動，這也避免了裝配線工人的安全風險。此外，模塊還可以在安裝在電池內(nèi)部之前進行測試和匹配。

維修—安全的無線功能意味著無需接觸電池組即可通過授權車庫中的診斷設備方便地分析電池組的狀況。如果檢測到故障，可以輕松拆卸和更換故障模塊。無線配置簡化了電池系統(tǒng)中新模塊的安裝。

二次生命——隨著車輛數(shù)量的增加，從報廢的電動汽車中回收并重新用于可再生能源存儲系統(tǒng)和電動工具等應用的二次生命電池市場正在興起。這也為電動汽車制造商創(chuàng)造了新的價值來源，這些制造商負責回收或處置報廢電動汽車中的電池，因為wBMS允許更簡單地集成用于二次生命應用的模塊。

處置—電池組內(nèi)的可回收金屬和潛在危險材料需要批準和規(guī)范的處置安排。簡單的連接和沒有通信線束使得電池模塊的拆卸比有線電池更容易、更快捷。

數(shù)據(jù)管理—wBMS技術可以輕松從每個智能模塊中讀取關鍵電池數(shù)據(jù)：這意味著可以單獨確定電池的狀況。例如，這些數(shù)據(jù)可以提供有關模塊的SOC和SOH的信息。結合模塊最初生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)，這允許在其 第二次生命應用，并為銷售的每個模塊提供一套詳細的規(guī)格。這些數(shù)據(jù)的現(xiàn)成可用性增加了模塊的轉售價值。

ADI公司wBMS完整解決方案

ADI在wBMS系統(tǒng)中實現(xiàn)的無線網(wǎng)絡協(xié)議滿足了汽車行業(yè)對基于全網(wǎng)時間同步技術的所有工作條件下的可靠性、安全性和安全性的要求。在通用汽車量產(chǎn)電動汽車中使用wBMS證明了其在最惡劣環(huán)境中的可靠性：基于wBMS的電池已經(jīng)在100多輛測試車輛中行駛了數(shù)十萬公里，公路和越野，以及從沙漠到冰凍的北方和最惡劣的條件下。

借助wBMS，ADI還支持符合ISO 26262功能安全標準的汽車制造商計劃。無線電技術和網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)方式使系統(tǒng)在嘈雜的環(huán)境中具有彈性，并使用復雜的加密技術在監(jiān)控單元和管理器之間提供安全通信。安全措施可避免犯罪分子或黑客等意外接收者欺騙在無線網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。此外，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在不修改內(nèi)容的情況下接收的，并且預期的接收者確切地知道哪個來源發(fā)送了消息。

電池價值的壽命管理

在電池組的整個生命周期中，從初始組裝到處置再到第二次壽命，嵌入在電池組中的wBMS功能可確保車輛制造商及其車主可以輕松跟蹤電池的狀況，保持性能和安全性，并實現(xiàn)價值最大化。整個系統(tǒng)，包括電池模塊的電芯監(jiān)控單元與ECU之間的交互，由ADI的技術處理，配置設置由制造商定義。

wBMS技術還以ADI的電池生命周期洞察服務（BLIS）技術為后盾。這提供了基于邊緣和基于云的數(shù)據(jù)軟件，以支持可追溯性、生產(chǎn)優(yōu)化、存儲和運輸監(jiān)控、早期故障檢測和壽命延長。wBMS和BLIS技術共同使汽車制造商能夠在電池組開發(fā)和生產(chǎn)方面的投資中獲得更高的回報，提高其電動汽車業(yè)務戰(zhàn)略的經(jīng)濟性，并幫助加速市場向低碳、可持續(xù)的個人移動出行未來的轉變。

使用wBMS設計和啟用此類電池解決方案的關鍵是系統(tǒng)理解以及支持上述設計和技術的方法和工具。AVL提供全方位的仿真、測試、工程能力和經(jīng)驗，與客戶一起成功推動這些創(chuàng)新，并通過為批量生產(chǎn)做好準備，將其推向市場。AVL目前正通過開發(fā)數(shù)據(jù)分析方法、使用虛擬開發(fā)支持的預測功能以及車輛和電池數(shù)據(jù)，大力致力于電池生態(tài)系統(tǒng)解決方案，以便 提高電池的使用壽命和性能。

審核編輯：郭婷