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    [導讀]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6座專用電池生產廠,均表明電池已成為汽車行業最具戰略意義的組成部分。


    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6座專用電池生產廠,均表明電池已成為汽車行業最具戰略意義的組成部分。

    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航里程,這將對他們的市場份額和競爭力產生巨大影響。隨著越來越多的舊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所謂二次電池衍生的價值。

    可是關于電池發展的新聞往往強調對新材料的研究,有時甚至是非常奇特的材料,人們希望這些材料可比當下的鋰技術儲存更多電荷。而對于電池管理系統(BMS),即監視電池的充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)部分,卻往往得不到關注。事實上,由ADI公司開發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(wBMS)技術,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,甚至進入電池的梯次利用。

    繼通用汽車發布Hummer EV(眾多配備wBMS車型中的第一款)之后,ADI開展了一系列生產計劃,展示了基于無線技術如何實現電動汽車電池的設計、生產、維修和處置的轉型。

    與電池中有線連接相關的成本、空間、重量和設計問題

    ADI開發wBMS技術的靈感來自于對常規電動汽車電池包中通信布線缺陷的分析。該分析借鑒了ADI的專業知識:ADI提供市場上準確度非常高的常規BMS,而在無線通信領域,ADI是5G無線電技術的領先企業之一。它還為工業環境開發了非常強大的Mesh網絡技術。

    在常規電動汽車電池中,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調節電池的運行以確保其為車輛提供電力。

    電池內部的這種通信需求反映了大型電池包的復雜架構:它由模組組成,每個模組包含多個電池單元。自然生產差異意味著在額定容差范圍內,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,需要監視電池運行的關鍵參數——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中單元監控單元的工作。

    但是,每個電池的數據只有在到達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據從每個模組(測量電壓、電流和溫度的地方)傳輸到ECU的處理器(參見圖1)。傳統上,這些連接是通過電線進行的:有線連接的優點是大家熟知且易于理解。

    圖1.典型的復雜、多組件有線BMS網絡(左),以及由ADI公司wBMS技術實現的更簡單布置(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,連接器可能會出現機械故障。換言之,電線增加了開發工作、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計電池包的外形尺寸,以適應車輛的設計要求。

    電池線束的復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線工人,須實施嚴格的安全規程。

    ADI模塊化且可擴展的wBMS系統平臺提供的優勢是: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險(參見圖2)。

    圖 2. wBMS技術消除了信號線束,從而支持完整電池包的自動化機器人生產

    在通用汽車實施wBMS技術的過程中,Ultium模組的可擴展架構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執行董事Kent Helfrich在2020年9月的新聞公告中提到,“可擴展性和降低復雜性是我們Ultium電池的主題——無線管理系統是這種驚人靈活性的關鍵推動力”。

    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中用穩健的無線技術取代BMS電線。但是,ADI公司wBMS技術的優勢不僅僅局限于在特許經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修理廠中的診斷設備方便地分析,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中新模組的安裝。

    處置——電池包內可回收金屬和潛在危險材料的處置安排需要批準和監管。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和電動工具等應用的二次電池市場正在興起。這為負責回收或處置報廢電動汽車中電池的電動車企創造了新價值來源。

    wBMS技術支持輕松讀取每個智能模組的關鍵電池數據,這意味著可以單獨確定每個電池的狀況。例如,該數據可以提供關于一個模組的SOC和SOH的信息。結合模組最初生產時的數據,二次電池模組將能在下一應用中得到優化使用,每個模組在銷售時都有一套詳細的規格可供查閱。數據的現成可用性增加了模組的轉售價值。

    用于電池數據采集的完整無線系統

    wBMS技術利用了ADI的兩項長期優勢積累:傳感測量和射頻通信。wBMS技術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計中。它為每個電池模組提供一個無線電池監視控制器(wCMC)單元,并通過無線管理器單元控制通信網絡。通信網絡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,它能對各種電池參數進行高精度測量,以便應用處理器分析電池的SOC和SOH。

    穩健的通信架構

    ADI在wBMS系統中實施的無線網絡協議以汽車行業對可靠性和安全性的要求為核心。與Bluetooth®或Wi-Fi網絡等面向消費電子的無線技術不同,wBMS解決方案基于全網時間同步技術,致力于在所有工作條件下實現可靠和安全通信,這是汽車應用所要求的。

    wBMS在通用汽車量產電動汽車中的使用,證明了其在最惡劣環境中的可靠性: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十萬公里,涵蓋從沙漠到寒冷北方的各種環境以及最惡劣的條件。經受考驗的可靠性和成功通過所有OEM安全性和穩健性認證,使wBMS將很快應用于各種乘用車。

    ADI還通過了wBMS來支持汽車制造商的ISO 26262功能安全標準合規計劃。無線電技術和網絡協議以特別方式開發,使得系統能夠很好地應對嘈雜的環境,并利用復雜的加密技術在監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期接收者對無線網絡上傳輸的數據的欺騙。此外,接收到的內容與所發送的數據完全一致,中間無法修改,預期接收者能夠確切地知道哪個源發送了消息。

    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——包括電池模組的電池監控單元和ECU之間的交互——都由ADI技術把控,配置設置由制造商定義。

    wBMS技術還得到了ADI電池生命周期洞察服務(BLIS)技術的支持,從而可以通過基于邊緣和云的軟件來支持可追溯性、生產優化、儲存運輸中的監控、早期故障檢測和延壽。

    wBMS和BLIS技術共同使汽車制造商能夠在電池包開發和生產方面的投資獲得更高回報,提高其電動汽車業務戰略的經濟性,幫助加速市場向低碳、可持續的個人出行未來轉變。


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