【導(dǎo)讀】特斯拉對電池“超級工廠”的巨額投資，以及大眾汽車計劃到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生命周期中的尺寸、重量和成本影響，并延長電池支持的續(xù)航里程，這將對他們的市場份額和競爭力產(chǎn)生巨大影響。隨著越來越多的舊電動汽車達(dá)到使用壽命，汽車制造商甚至將爭奪從報廢車輛中回收的所謂二次電池衍生的價值。
可是關(guān)于電池發(fā)展的新聞往往強調(diào)對新材料的研究，有時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)儲存更多電荷。而對于電池管理系統(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(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)計劃，展示了基于無線技術(shù)如何實現(xiàn)電動汽車電池的設(shè)計、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)計問題
ADI開發(fā)wBMS技術(shù)的靈感來自于對常規(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的專業(yè)知識：ADI提供市場上準(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)了非常強大的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
在常規(guī)電動汽車電池中，通過布線來支持電池包中每個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，每個模組包含多個電池單元。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。這是BMS中單元監(jiān)控單元的工作。
但是，每個電池的數(shù)據(jù)只有在到達(dá)BMS的ECU后才會有用，ECU控制每個模組的電池供電和取電方式，并維護電池的安全功能。
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（測量電壓、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)點是大家熟知且易于理解。
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)實現(xiàn)的更簡單布置（右）
但其缺點也非常多：銅線束很重，占用的空間如果由電池填充的話，則會提供更大的電能容量。此外，連接器可能會出現(xiàn)機械故障。換言之，電線增加了開發(fā)工作、制造成本和重量，同時也降低了機械可靠性和可用空間，導(dǎo)致行駛里程減少。如能擺脫線束，汽車制造商也會獲得新的靈活性來設(shè)計電池包的外形尺寸，以適應(yīng)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(jìn)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(yán)格的安全規(guī)程。
ADI模塊化且可擴展的wBMS系統(tǒng)平臺提供的優(yōu)勢是：OEM可以將電池包組裝完全自動化。取消（信號）線束后，電池模組唯一需要的連接是電源端子，這可以由機器人在自動化過程中輕松完成。通過消除體力勞動，OEM還能消除裝配線工人的安全風(fēng)險（參見圖2）。
圖 2. wBMS技術(shù)消除了信號線束，從而支持完整電池包的自動化機器人生產(chǎn)
在通用汽車實施wBMS技術(shù)的過程中，Ultium模組的可擴展架構(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)鍵推動力”。
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)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。
● 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。簡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——未來電動汽車電池的壽命可能會超過車輛本身的壽命：特斯拉總裁埃隆·馬斯克估計，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)用的二次電池市場正在興起。這為負(fù)責(zé)回收或處置報廢電動汽車中電池的電動車企創(chuàng)造了新價值來源。
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，該數(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)，二次電池模組將能在下一應(yīng)用中得到優(yōu)化使用，每個模組在銷售時都有一套詳細(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)售價值。
用于電池數(shù)據(jù)采集的完整無線系統(tǒng)
wBMS技術(shù)利用了ADI的兩項長期優(yōu)勢積累：傳感測量和射頻通信。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)計中。它為每個電池模組提供一個無線電池監(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單元還包括一個一流的電池管理系統(tǒng)，它能對各種電池參數(shù)進(jìn)行高精度測量，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)中實施的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以汽車行業(yè)對可靠性和安全性的要求為核心。與Bluetooth?或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等面向消費電子的無線技術(shù)不同，wBMS解決方案基于全網(wǎng)時間同步技術(shù)，致力于在所有工作條件下實現(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多輛公路和越野測試車輛中運行了數(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)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，并使其價值最大化。整個系統(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、儲存運輸中的監(jiān)控、早期故障檢測和延壽。
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，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。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
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。Norbert的專長在于車輛系統(tǒng)、架構(gòu)和功能，以及用于內(nèi)飾、底盤和動力系統(tǒng)的電子設(shè)備。在過去15年中，他一直專注于整個車輛傳動系統(tǒng)的混合動力和電氣化。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)新的電動汽車項目的開發(fā)。
Paul Hartanto-Doeser是一名電氣工程師，在低功耗射頻、無線通信和微電子領(lǐng)域擁有20年的經(jīng)驗。他曾在汽車門禁系統(tǒng)、半導(dǎo)體測試系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等不同應(yīng)用領(lǐng)域擔(dān)任多種工程職務(wù)。自2021年以來，他側(cè)重于車輛電氣化專用的合格技術(shù)。他熱衷于與客戶合作，利用尖端技術(shù)構(gòu)建創(chuàng)新系統(tǒng)。
作者：ADI電動業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Norbert Bieler和ADI電動系統(tǒng)技術(shù)專家Paul Hartanto-Doeser
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