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无线电池管理系统——通过提高电池性能、延长使用寿命和提升成本价值,实现智能电池生态系统解决方案

关键词:电池管理 智能电池 AVL ADI 电动汽车电池

时间:2024-02-21 11:11:24      来源:网络

乘用车和商用车的电气化正在步入市场渗透的新阶段。从技术可行性论证转向大规模生产高端优质汽车,这种转变是显而易见的。技术商业化为我们带来了更优质、更实惠的汽车。

作者:Stephan Prüfling,AVL电池管理系统产品经理

Norbert Bieler,ADI公司电动汽车业务开发总监

简介

乘用车和商用车的电气化正在步入市场渗透的新阶段。从技术可行性论证转向大规模生产高端优质汽车,这种转变是显而易见的。技术商业化为我们带来了更优质、更实惠的汽车。

但是,与传统的燃油车相比,人们仍然认为目前大多数的电动汽车(EV)价格昂贵,缺乏吸引力。因此,要确保成功且可持续的市场增长,降低成本和提高性能是关键。缩小尺寸、减轻重量和降低成本会影响电池系统在汽车整个生命周期内的竞争力。另一方面,延长续航里程也会大大影响其市场吸引力和竞争力。此外,随着越来越多的电动汽车达到其使用寿命,汽车制造商甚至将争夺从报废车辆中回收电池获取的电池梯次利用价值。

受此需求影响,关于电池创新的新闻往往强调新电池封装概念和新材料,有朝一日这些新材料或许能够比当今的锂技术储存更多的电荷。电池管理系统(BMS)是电池的另一个不同部分,它用于监视电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH),但往往得不到关注,也需要跟进并支持电池创新。

实际上,由ADI公司开发并由通用汽车在其模块化Ultium电池平台中率先采用的新型无线BMS (wBMS)技术现已投入量产。wBMS有望为汽车制造商带来新的贯穿电池整个生命周期的竞争优势——从电池模组首次组装开始到在电动汽车中运行,再到处置,甚至进入电池的梯次利用。

有线电池连接——成本高昂、笨重且复杂的方法

开发wBMS技术的动机来自于对当今常规电动汽车电池包中通信布线缺陷的分析。该分析借鉴了ADI公司的专业知识:ADI公司在无线通信领域提供市场上准确度非常高的BMS IC。它还为工业环境开发了非常强大的Mesh网络技术。

在常规电动汽车电池包中,电池管理IC会测量每个电芯。然后,通过线路将电池管理IC中的数据回传给电池包ECU。电池内部的这种通信需求反映了大型电池包的复杂架构:它一般由模组组成,每个模组包含多个电芯。自然生产差异意味着在额定容差范围内,每个电芯都有自己的特性。为了充分提高电池容量、寿命和性能,需要监视电池运行的关键参数——电压、充电/放电电流和温度,并且每个模组都需要单独记录。


图1.典型的多组件有线BMS网络(左),以及由wBMS技术实现的更简单的布置(右)。

因此,电动汽车电池需要通过某种途径将数据从每个模组或电芯(测量电压和温度的地方)传输到ECU的处理器(参见图1)。传统上,这些连接是通过电线进行的:有线连接的优点是大家熟知且易于理解。

有线BMS的缺点

但是,有线BMS也有许多缺点:铜线束会增加重量,并占用空间,如果该空间用于放置电芯,则会提供更多的电能容量。此外,该线束需要固定在电池外壳结构上,连接器可能会出现机械故障,尤其是在受到振动和冲击时。

换言之,电线增加了开发工作、制造成本和重量,同时也降低了机械可靠性和可用空间,导致行驶里程减少。若能摆脱线束,汽车制造商就能灵活设计电池包的外形尺寸,以满足车辆的设计要求。

电池线束的复杂性还使电池包的组装变得困难且昂贵:必须手动装配有线电池包并进行端接。这是一个高成本且危险的过程,因为电动汽车的高压电池模组是充电的。为了维护装配过程的安全并保护生产线工人,须实施严格的安全规程。

因此,汽车制造商有很多充分的理由在新的电动汽车电池系统平台中引入可靠的无线技术。

wBMS——一种新智能方法

wBMS是一种完整的解决方案,汽车制造商很容易将其集成到电池包设计中。它为每个电池模组提供一个无线电芯监视控制器(wCMC)单元,并通过无线管理器单元控制通信网络,通信网络将多个电池模组无线连接到ECU。除无线部分外,每个wCMC单元还包括一个BMS,它能对各种电池参数进行高精度测量,以便应用处理器分析电池的SOC和SOH。

虽然wBMS技术充分利用了消除线束设计和组装问题的优势,但在电池的生命周期中,还有更多领域将带来额外的价值:

► 电池组装——电池模组只需连接电源端子,这可以在高度自动化过程中轻松完成。通过消除组装和测试这两项体力劳动,还能消除装配线工人的安全风险(参见图2)。此外,将模组安装到电池内部之前,还可以对其进行测试和匹配。


图2.wBMS技术消除了BMS信号线束,可实现电池包的自动化机器人生产。

► 维修——安全的无线功能意味着电池包的状况可以通过授权修理厂中的诊断设备方便地分析,而无需接触电池包。如果检测到故障,有故障的模组可以轻松移除和更换。无线配置简化了电池系统中新模组的安装。

► 电池梯次利用——随着汽车数量不断增加,从报废电动汽车中回收电池并重新用于可再生能源储存系统和电动工具等应用的电池梯次利用市场正在兴起。这为负责回收或处置报废电动汽车中电池的电动汽车制造商创造了新的价值来源,wBMS通过简单地集成模组即可实现电池梯次利用。

► 处置——电池包内可回收金属和潜在危险材料的处置安排需要批准和监管。连接简单并且没有通信线束,使得拆卸电池模组比有线电池更轻松快捷。

► 数据管理——wBMS技术支持轻松读取每个智能模组的关键电池数据,这意味着可以单独确定每个电池的状况。例如,这些数据可以提供关于一个模组的SOC和SOH的信息。结合模组最初生产时的数据,将有助于模组在电池梯次利用中得到优化使用,每个模组在销售时都有一套详细的规格可供查阅。这些数据现成可用增加了模组的转售价值。

ADI支持wBMS的完整解决方案

ADI公司在wBMS系统中实施的无线网络协议基于全网时间同步技术,符合汽车行业对所有操作条件下的可靠性和安全性要求。通用汽车在量产电动汽车中使用wBMS,证明了其在恶劣环境中的可靠性:基于wBMS的电池已在100多辆公路和越野测试车辆中运行了数十万公里,涵盖从沙漠到寒冷北方等各种环境下的恶劣条件。

ADI公司还通过wBMS来支持汽车制造商的ISO 26262功能安全标准合规计划。无线电技术和网络协议以特别方式开发,使得系统能够很好地应对嘈杂的环境,并利用复杂的加密技术在监控单元和管理器之间提供安全通信。安全措施避免了罪犯或黑客等非预期接收者对无线网络上传输的数据进行欺骗攻击。此外,接收到的内容与所发送的数据完全一致,中间无法修改,预期接收者能够确切地知道哪个源发送了消息。

电池价值的生命周期管理

在整个电池包的生命周期中,从初始组装到处置再到梯次利用,电池包中嵌入的wBMS功能可确保车辆制造商及其所有者能够轻松跟踪电池状况,保持性能和安全,并充分体现其价值。整个系统——包括电池模组的电芯监控单元和ECU之间的交互——都由ADI技术把控,配置设置由制造商定义。

wBMS技术还得到了ADI公司电池生命周期洞察服务(BLIS)技术的支持,从而可以通过基于边缘和云的数据软件来支持可追溯性、生产优化、储存运输中的监控、早期故障检测和延长使用寿命。wBMS和BLIS技术共同使汽车制造商能够在电池包开发和生产方面的投资获得更高回报,提高其电动汽车业务战略的经济性,帮助加速市场向低碳、可持续的个人出行未来转变。

使用wBMS设计和实现这种电池解决方案的关键在于理解系统,以及支持上述设计和技术的方法和工具。AVL提供全方位的仿真、测试、工程服务,拥有丰富的经验,将与客户一起推动这些创新,帮助客户做好量产准备,将创新产品推向市场。AVL目前正在大力开发电池生态系统解决方案,通过开发数据分析方法,使用虚拟开发支持的预测功能以及汽车和电池数据,以提高电池的使用寿命和性能。

AVL与ADI携手合作,集两家之长,致力于为全球客户提供更智能的BMS解决方案。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2023财年收入超过120亿美元,全球员工约2.6万人。携手全球12.5万家客户,ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问
www.analog.com/cn

关于作者

Stephan Prüfling (M.Sc.)投身于工业工程和电气工程领域,主要研究电动交通和电网。他于2016年加入AVL担任产品经理,主要研究电动驱动元件解决方案,例如电动马达和动力电子设备。目前,他主要负责产品管理,包括电池管理解决方案和该领域领先的创新项目。

Norbert Bieler是一名电气工程师,专注于微电子,先后在Siemens VDO、Continental Automotive和ADI公司工作,拥有25年的汽车管理综合经验。Norbert的专长在于车辆系统、架构和功能,以及用于内饰、底盘和动力系统的电子设备。在过去15年中,他一直专注于整个车辆传动系统的混合动力和电气化。他领导业务开发和战略,以及为汽车制造商、一级供应商和战略合作伙伴网络定义新技术和创新的电动汽车项目的开发。

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