作者：Norbert Bieler，Paul Hartanto-Doeser

特斯拉對(duì)電池“超級(jí)工廠”的大規(guī)模投資以及大眾汽車計(jì)劃到2030年在歐洲建立六個(gè)專門的電池生產(chǎn)工廠1表明電池已成為汽車行業(yè)中最具戰(zhàn)略意義的部件。

汽車制造商努力減少電池在車輛整個(gè)生命周期內(nèi)的尺寸、重量和成本影響，并延長(zhǎng)電池支持的行駛里程，這將對(duì)其市場(chǎng)份額和競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生巨大影響。隨著越來(lái)越多的老式電動(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的價(jià)值。

關(guān)于電池發(fā)展的新聞?lì)^條傾向于強(qiáng)調(diào)對(duì)新的，有時(shí)是奇特材料的研究，這些材料有一天可能能夠存儲(chǔ)更多 充電比今天的鋰技術(shù);電池的一個(gè)完全不同的部分 - 電池管理系統(tǒng)（BMS），用于監(jiān)控電池的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH） - 往往會(huì)被忽視。但事實(shí)上，由ADI公司開(kāi)發(fā)并由通用汽車在其模塊化Ultium電池中率先推出的新型無(wú)線電池管理系統(tǒng)（wBMS）技術(shù)有望在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)為汽車制造商提供新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從電池模塊首次組裝到電動(dòng)汽車運(yùn)行，再到處置。 甚至進(jìn)入電池的第二次壽命。

繼通用汽車發(fā)布悍馬EV之后，2ADI公司是眾多采用wBMS的型號(hào)中的第一個(gè)，它運(yùn)行了一個(gè)批量生產(chǎn)計(jì)劃，展示了如何 我們的無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車電池的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修和處置的轉(zhuǎn)變。

與電池中的有線連接相關(guān)的成本、空間、重量和設(shè)計(jì)問(wèn)題

ADI公司開(kāi)發(fā)wBMS技術(shù)的靈感來(lái)自于對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)汽車電池組中通信布線缺點(diǎn)的分析。該分析借鑒了該公司的專業(yè)知識(shí)：它提供市場(chǎng)上最準(zhǔn)確的傳統(tǒng)BMS，在無(wú)線通信領(lǐng)域它是5G無(wú)線電技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。它還為工業(yè)環(huán)境開(kāi)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電池中，布線支持電池組中每個(gè)電池與電子控制單元（ECU）之間的通信，電子控制單元調(diào)節(jié)其操作以確保其為車輛供電。

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，需要為每個(gè)模塊單獨(dú)監(jiān)控和記錄電池運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)（電壓、充電/放電電流和溫度）。這是BMS中細(xì)胞監(jiān)測(cè)單元的工作。

但是，來(lái)自每個(gè)電池的數(shù)據(jù)只有在到達(dá)BMS的ECU時(shí)才有用，ECU控制電池的供電方式，一個(gè)模塊一個(gè)模塊地控制電池的供電方式，并保持電池的安全功能。

這就是為什么電動(dòng)汽車的電池需要一種方法來(lái)將數(shù)據(jù)從每個(gè)模塊（測(cè)量電壓、電流和溫度）傳輸?shù)紼CU的處理器。 （見(jiàn)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.典型的復(fù)雜多組件有線BMS網(wǎng)絡(luò)（左）和ADI公司的wBMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單的排列（右）。

但是，編制一長(zhǎng)串不合適的方法并不難：銅線束很重，占用的空間，如果由電池填充，將提供額外的能量容量。此外，連接器可能會(huì)遭受機(jī)械故障。換句話說(shuō)，電線增加了開(kāi)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。擺脫線束，汽車制造商也獲得了新的靈活性，可以設(shè)計(jì)電池組的外形尺寸以適應(yīng)車輛的設(shè)計(jì)要求。

電池線束的復(fù)雜性也使電池組的組裝變得困難且昂貴：必須手動(dòng)組裝有線組并終止連接。這是一個(gè)昂貴且危險(xiǎn)的過(guò)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(guò)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。

ADI公司模塊化和可擴(kuò)展的wBMS系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于，OEM可以完全自動(dòng)化電池組組裝。消除（信號(hào)）線束后，電池模塊唯一需要的連接是電源端子，機(jī)器人可以在自動(dòng)化過(guò)程中輕松完成。通過(guò)消除體力勞動(dòng)，OEM還消除了裝配線工人的安全風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖2）。

在通用汽車實(shí)施wBMS技術(shù)的過(guò)程中，Ultium模塊的可擴(kuò)展架構(gòu)也有助于降低通用汽車的電池組成本。雖然 Ultium電池于2021年首次亮相，這些模塊將部署在通用汽車的整個(gè)系列中，不僅在重型車輛中，而且在所有公路車中，從高性能和高檔汽車到小型車。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的那樣，“可擴(kuò)展性和復(fù)雜性降低是我們Ultium電池的主題——無(wú)線管理系統(tǒng)是這種驚人靈活性的關(guān)鍵推動(dòng)因素。3

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)中用強(qiáng)大的無(wú)線技術(shù)取代BMS的電線。但優(yōu)點(diǎn) ADI公司的wBMS技術(shù)超出了新車在特許經(jīng)銷商前院出售的時(shí)間點(diǎn)。

維修—安全的無(wú)線功能意味著無(wú)需接觸電池組即可通過(guò)授權(quán)車庫(kù)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(wú)線配置簡(jiǎn)化了電池系統(tǒng)中新模塊的安裝。

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(méi)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。

第二次生命——未來(lái)電動(dòng)汽車電池的壽命可能會(huì)超過(guò)車輛本身的壽命：特斯拉的埃隆·馬斯克（Elon Musk）估計(jì)，電池在完全失效之前的典型壽命相當(dāng)于“100萬(wàn)英里”。因此，現(xiàn)在正在出現(xiàn)一個(gè)市場(chǎng)，即從報(bào)廢的電動(dòng)汽車中回收的二次電池，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。這為電動(dòng)汽車制造商創(chuàng)造了新的價(jià)值來(lái)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。

wBMS技術(shù)可以輕松從每個(gè)智能模塊中讀取關(guān)鍵電池?cái)?shù)據(jù)：這意味著可以單獨(dú)確定電池的狀況。例如，此數(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)，這允許在下一個(gè)應(yīng)用中優(yōu)化使用二次使用模塊，并為銷售的每個(gè)模塊提供一套詳細(xì)的規(guī)格。數(shù)據(jù)的現(xiàn)成可用性增加了模塊的轉(zhuǎn)售價(jià)值。

用于電池?cái)?shù)據(jù)采集的完整無(wú)線系統(tǒng)

wBMS技術(shù)利用了ADI公司處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位的兩個(gè)長(zhǎng)期領(lǐng)域：檢測(cè)與測(cè)量以及RF通信。wBMS技術(shù)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。它包括用于每個(gè)電池模塊的無(wú)線單元監(jiān)控控制器（wCMC）單元，以及用于控制通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線管理器單元，該單元將多個(gè)電池模塊無(wú)線連接到ECU。

除無(wú)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)，該系統(tǒng)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。

強(qiáng)大的通信架構(gòu)

ADI公司在wBMS系統(tǒng)中實(shí)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心是汽車行業(yè)對(duì)可靠性、安全性和安全性的要求。與藍(lán)牙或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等面向消費(fèi)者的無(wú)線技術(shù)不同，wBMS解決方案基于全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)，強(qiáng)調(diào)在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)可靠和安全的通信，以滿足汽車應(yīng)用的要求。?

在通用汽車的量產(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)試車輛中運(yùn)行了數(shù)十萬(wàn)公里，無(wú)論是公路還是越野，以及從沙漠到冰凍的北方和最惡劣的條件下。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的可靠性，并成功通過(guò)了所有OEM安全性和穩(wěn)健性認(rèn)證，它將很快出現(xiàn)在各種乘用車中。

借助wBMS，ADI公司還支持汽車制造商符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃。無(wú)線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)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(wú)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(lái)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技術(shù)處理，配置設(shè)置由制造商定義。

wBMS技術(shù)還由ADI公司的電池生命周期洞察服務(wù)（BLIS）技術(shù)提供支持。這提供了基于云的邊緣和云軟件，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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)方面獲得更高的投資回報(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(lái)的轉(zhuǎn)變。

審核編輯：郭婷