《電子技術(shù)應(yīng)用》
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wBMS技術(shù):電動(dòng)汽車制造商的新競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

2022-09-19
作者:ADI電動(dòng)業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Norbert Bieler和ADI電動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)專家Paul Hartanto-Doeser
來源:ADI公司
關(guān)鍵詞: ADI wBMS 電動(dòng)汽車

特斯拉對(duì)電池“超級(jí)工廠”的巨額投資,,以及大眾汽車計(jì)劃到2030年在歐洲建設(shè)6座專用電池生產(chǎn)廠,均表明電池已成為汽車行業(yè)最具戰(zhàn)略意義的組成部分,。

汽車制造商努力降低電池在汽車整個(gè)生命周期中的尺寸、重量和成本影響,,并延長(zhǎng)電池支持的續(xù)航里程,,這將對(duì)他們的市場(chǎng)份額和競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生巨大影響,。隨著越來越多的舊電動(dòng)汽車達(dá)到使用壽命,汽車制造商甚至將爭(zhēng)奪從報(bào)廢車輛中回收的所謂二次電池衍生的價(jià)值,。

可是關(guān)于電池發(fā)展的新聞往往強(qiáng)調(diào)對(duì)新材料的研究,,有時(shí)甚至是非常奇特的材料,人們希望這些材料可比當(dāng)下的鋰技術(shù)儲(chǔ)存更多電荷,。而對(duì)于電池管理系統(tǒng)(BMS),,即監(jiān)視電池的充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)部分,卻往往得不到關(guān)注,。事實(shí)上,,由ADI公司開發(fā)并由通用汽車在其模塊化Ultium電池中率先采用的新型無線電池管理系統(tǒng)(wBMS)技術(shù),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。

繼通用汽車發(fā)布Hummer EV(眾多配備wBMS車型中的第一款)之后,,ADI開展了一系列生產(chǎn)計(jì)劃,,展示了基于無線技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的設(shè)計(jì)、生產(chǎn),、維修和處置的轉(zhuǎn)型,。

與電池中有線連接相關(guān)的成本、空間,、重量和設(shè)計(jì)問題

ADI開發(fā)wBMS技術(shù)的靈感來自于對(duì)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的專業(yè)知識(shí):ADI提供市場(chǎng)上準(zhǔn)確度非常高的常規(guī)BMS,而在無線通信領(lǐng)域,,ADI是5G無線電技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)之一,。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)汽車電池中,,通過布線來支持電池包中每個(gè)電池單元與電子控制單元(ECU)之間的通信,,ECU調(diào)節(jié)電池的運(yùn)行以確保其為車輛提供電力。

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):它由模組組成,,每個(gè)模組包含多個(gè)電池單元,。自然生產(chǎn)差異意味著在額定容差范圍內(nèi),每個(gè)電池單元都有自己的特性,。為了最大限度地提高電池容量,、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。這是BMS中單元監(jiān)控單元的工作,。

但是,,每個(gè)電池的數(shù)據(jù)只有在到達(dá)BMS的ECU后才會(huì)有用,,ECU控制每個(gè)模組的電池供電和取電方式,并維護(hù)電池的安全功能,。

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(測(cè)量電壓、電流和溫度的地方)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。

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圖1.典型的復(fù)雜,、多組件有線BMS網(wǎng)絡(luò)(左),,以及由ADI公司wBMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單布置(右)


但其缺點(diǎn)也非常多:銅線束很重,占用的空間如果由電池填充的話,,則會(huì)提供更大的電能容量。此外,,連接器可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障,。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,。如能擺脫線束,,汽車制造商也會(huì)獲得新的靈活性來設(shè)計(jì)電池包的外形尺寸,以適應(yīng)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。

ADI模塊化且可擴(kuò)展的wBMS系統(tǒng)平臺(tái)提供的優(yōu)勢(shì)是:OEM可以將電池包組裝完全自動(dòng)化,。取消(信號(hào))線束后,,電池模組唯一需要的連接是電源端子,這可以由機(jī)器人在自動(dòng)化過程中輕松完成,。通過消除體力勞動(dòng),,OEM還能消除裝配線工人的安全風(fēng)險(xiǎn)(參見圖2)。

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圖 2. wBMS技術(shù)消除了信號(hào)線束,,從而支持完整電池包的自動(dòng)化機(jī)器人生產(chǎn)

在通用汽車實(shí)施wBMS技術(shù)的過程中,,Ultium模組的可擴(kuò)展架構(gòu)也有助于降低通用汽車的電池包成本。雖然Ultium電池于2021年首次亮相,,但此類模組將部署在通用汽車的所有車型中,,不僅用于重型車輛,,還用于所有公路汽車——從高性能和高檔汽車到小型車輛。正如通用汽車全球電氣化和電池系統(tǒng)執(zhí)行董事Kent Helfrich在2020年9月的新聞公告中提到,,“可擴(kuò)展性和降低復(fù)雜性是我們Ultium電池的主題——無線管理系統(tǒng)是這種驚人靈活性的關(guān)鍵推動(dòng)力”,。

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)中用穩(wěn)健的無線技術(shù)取代BMS電線,。但是,,ADI公司wBMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅僅局限于在特許經(jīng)銷商前廳出售的新車。

? 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(cè)到故障,有故障的模組可以輕松移除和更換,。無線配置簡(jiǎn)化了電池系統(tǒng)中新模組的安裝,。

? 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。簡(jiǎn)單的連接和通信線束取消,,使得電池模組的拆卸比有線電池更容易且更快速,。

? 梯次利用——未來電動(dòng)汽車電池的壽命可能會(huì)超過車輛本身的壽命:特斯拉總裁埃隆·馬斯克估計(jì),電池在完全失效之前的典型壽命相當(dāng)于“100萬英里”,。因此,,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)用的二次電池市場(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)車企創(chuàng)造了新價(jià)值來源,。

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,,該數(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),二次電池模組將能在下一應(yīng)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,。數(shù)據(jù)的現(xiàn)成可用性增加了模組的轉(zhuǎn)售價(jià)值。


用于電池?cái)?shù)據(jù)采集的完整無線系統(tǒng)

wBMS技術(shù)利用了ADI的兩項(xiàng)長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)積累:傳感測(cè)量和射頻通信,。wBMS技術(shù)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)無線電池監(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(gè)電池模組無線連接到ECU。

除無線部分外,,每個(gè)wCMC單元還包括一個(gè)一流的電池管理系統(tǒng),,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。


穩(wěn)健的通信架構(gòu)

ADI在wBMS系統(tǒng)中實(shí)施的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以汽車行業(yè)對(duì)可靠性和安全性的要求為核心,。與Bluetooth?或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等面向消費(fèi)電子的無線技術(shù)不同,,wBMS解決方案基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù),致力于在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)可靠和安全通信,,這是汽車應(yīng)用所要求的,。

wBMS在通用汽車量產(chǎn)電動(dòng)汽車中的使用,證明了其在最惡劣環(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)十萬公里,,涵蓋從沙漠到寒冷北方的各種環(huán)境以及最惡劣的條件,。經(jīng)受考驗(yàn)的可靠性和成功通過所有OEM安全性和穩(wěn)健性認(rèn)證,使wBMS將很快應(yīng)用于各種乘用車,。

ADI還通過了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)無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的欺騙。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(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,并使其價(jià)值最大化,。整個(gè)系統(tǒng)——包括電池模組的電池監(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)和延壽,。

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。


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