如何實(shí)現(xiàn)智能電池生態(tài)系統(tǒng)解決方案

作者：Stephan Prüfling，Norbert Bieler

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

盡管如此，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，大多數(shù)最新一代電動(dòng)汽車（EV）仍然被認(rèn)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(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。減小尺寸、重量和降低成本會(huì)影響電池系統(tǒng)在車輛整個(gè)生命周期內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另一方面，續(xù)航里程的延長(zhǎng)也會(huì)對(duì)其市場(chǎng)吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生重大影響。此外，隨著越來越多的電動(dòng)汽車達(dá)到使用壽命，汽車制造商甚至將爭(zhēng)奪從報(bào)廢車輛中回收的二次電池的價(jià)值。

出于這種需求，有關(guān)電池創(chuàng)新的新聞往往會(huì)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(chǔ)存。 比今天的鋰技術(shù)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(tái)中率先推出的新型無線BMS（wBMS）技術(shù)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(gè)生命周期內(nèi)提供了新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) - 從電池模塊首次組裝開始，到在電動(dòng)汽車中運(yùn)行，再到處置，甚至在需要時(shí)進(jìn)入電池的第二次壽命。

有線電池連接 — 昂貴、繁重且復(fù)雜的方法

wBMS技術(shù)開發(fā)的意圖是基于對(duì)當(dāng)今傳統(tǒng)電動(dòng)汽車電池組中通信布線缺點(diǎn)的分析。該分析借鑒了ADI的專業(yè)知識(shí)：它為無線通信領(lǐng)域提供市場(chǎng)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(qiáng)大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在傳統(tǒng)的EV電池組中，每個(gè)電池單元都由電池管理IC測(cè)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(duì)電池內(nèi)部通信的要求反映了大型電池組的復(fù)雜架構(gòu)：它通常由模塊組成，每個(gè)模塊包含多個(gè)電池。自然生產(chǎn)變化意味著每個(gè)細(xì)胞都有單獨(dú)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(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù) — 電壓、充電/放電電流和 溫度—需要為每個(gè)模塊單獨(dú)監(jiān)控和記錄。

這就是為什么電動(dòng)汽車的電池需要一種方法將數(shù)據(jù)從測(cè)量電壓和溫度的每個(gè)模塊或單元傳輸?shù)紼CU處理器的原因（見圖1）。傳統(tǒng)上，這些連接是用電線進(jìn)行的：有線連接的優(yōu)點(diǎn)是熟悉和易于理解。

圖1.典型的多組件有線BMS網(wǎng)絡(luò)（左）和wBMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單的排列（右）。

有線BMS的缺點(diǎn)

然而，還有一系列與電線相關(guān)的缺點(diǎn)：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(jié)構(gòu)上，連接器可能會(huì)遭受機(jī)械故障，尤其是在振動(dòng)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(shí)還降低了機(jī)械可靠性和可用空間。這導(dǎo)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(duì)其電池組外形的設(shè)計(jì)要求。

電池線束的復(fù)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(dòng)端接連接。這是一個(gè)昂貴且危險(xiǎn)的過程，因?yàn)?a target="_blank">高壓電動(dòng)汽車電池模塊是充電的。為了維護(hù)裝配過程的安全并保護(hù)生產(chǎn)線工人，我們采用了嚴(yán)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(dòng)汽車電池系統(tǒng)平臺(tái)中引入強(qiáng)大的無線技術(shù)。

wBMS — 一種新的智能方法

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

雖然wBMS技術(shù)充分利用了消除線束設(shè)計(jì)和裝配問題的優(yōu)勢(shì)，但在電池生命周期中還有更多領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生額外的價(jià)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(dòng)化的過程輕松完成。通過消除裝配和測(cè)試的體力勞動(dòng)，這也避免了裝配線工人的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，模塊還可以在安裝在電池內(nèi)部之前進(jìn)行測(cè)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(quán)車庫中的診斷設(shè)備方便地分析電池組的狀況。如果檢測(cè)到故障，可以輕松拆卸和更換故障模塊。無線配置簡(jiǎn)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(bào)廢的電動(dòng)汽車中回收并重新用于可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)和電動(dòng)工具等應(yīng)用的二次生命電池市場(chǎng)正在興起。這也為電動(dòng)汽車制造商創(chuàng)造了新的價(jià)值來源，這些制造商負(fù)責(zé)回收或處置報(bào)廢電動(dòng)汽車中的電池，因?yàn)閣BMS允許更簡(jiǎn)單地集成用于二次生命應(yīng)用的模塊。

處置—電池組內(nèi)的可回收金屬和潛在危險(xiǎn)材料需要批準(zhǔn)和規(guī)范的處置安排。簡(jiǎn)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(shù)可以輕松從每個(gè)智能模塊中讀取關(guān)鍵電池數(shù)據(jù)：這意味著可以單獨(dú)確定電池的狀況。例如，這些數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)模塊的SOC和SOH的信息。結(jié)合模塊最初生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)，這允許在其 第二次生命應(yīng)用，并為銷售的每個(gè)模塊提供一套詳細(xì)的規(guī)格。這些數(shù)據(jù)的現(xiàn)成可用性增加了模塊的轉(zhuǎn)售價(jià)值。

ADI公司wBMS完整解決方案

ADI在wBMS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議滿足了汽車行業(yè)對(duì)基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)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(dòng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)的汽車制造商計(jì)劃。無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)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(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。安全措施可避免犯罪分子或黑客等意外接收者欺騙在無線網(wǎng)絡(luò)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(yù)期的接收者確切地知道哪個(gè)來源發(fā)送了消息。

電池價(jià)值的壽命管理

在電池組的整個(gè)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(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。整個(gè)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(shù)處理，配置設(shè)置由制造商定義。

wBMS技術(shù)還以ADI的電池生命周期洞察服務(wù)（BLIS）技術(shù)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(chǔ)和運(yùn)輸監(jiān)控、早期故障檢測(cè)和壽命延長(zhǎng)。wBMS和BLIS技術(shù)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(bào)，提高其電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的經(jīng)濟(jì)性，并幫助加速市場(chǎng)向低碳、可持續(xù)的個(gè)人移動(dòng)出行未來的轉(zhuǎn)變。

使用wBMS設(shè)計(jì)和啟用此類電池解決方案的關(guān)鍵是系統(tǒng)理解以及支持上述設(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、工程能力和經(jīng)驗(yàn)，與客戶一起成功推動(dòng)這些創(chuàng)新，并通過為批量生產(chǎn)做好準(zhǔn)備，將其推向市場(chǎng)。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(yù)測(cè)功能以及車輛和電池?cái)?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