特斯拉正在对电池“超级工厂”进行大量投资,计划到2030年在欧洲建设6个专用电池生产工厂,这表明电池已成为汽车行业最具战略意义的部分。

汽车制造商在汽车生命周期内努力减少电池的大小、重量和成本影响,延长电池支持寿命,这将对市长/市场份额和竞争力产生重大影响。随着越来越多的旧电动汽车达到寿命,汽车制造商有时会争夺从报废车辆中回收的所谓二次电池中衍生出来的价值。

但是关于电池开发的新闻经常强调对新材料的研究,有时甚至强调非常奇特的材料,人们希望这些材料比现在的锂技术储存更多的电荷。监控电池管理系统(BMS),即电池充电状态(SOC)和状态(SOH)的部分经常不受关注。事实上,ADI开发的模块化Ultium电池首次采用的新无线电池管理系统(wBMS)技术,预计将为汽车制造商在整个电池寿命中带来新的竞争优势。

继通用汽车Hummer EV (wBMS车型中的第一款)发布后,ADI开展了一系列生产计划,展示了如何在无线技术的基础上实现电动汽车电池的设计、生产、维修和报废。

与电池有线连接相关的成本、空间、重量和设计问题

ADI开发wBMS技术的灵感来自于普通电动汽车电池组的通信布线缺陷分析。此分析基于ADI的专业知识。ADI提供市场上精度极高的通用BMS,在无线通信领域,ADI是5G无线技术的领先企业之一。此外,还为工业环境开发了非常强大的网状网络技术。

普通电动汽车电池通过电缆连接支持电池组中各电池设备和电子控制单元(ECU)之间的通信。ECU调节电池运行,为车辆供电。

电池内部的这些通信要求反映了大型电池组的复杂体系结构,每个电池组都由包含多个电池设备的模块组成。自然生产的差异意味着在额定容限内,每个电池单元都有其独特的特性。为了最大限度地提高电池容量、寿命和性能,必须监控电池操作的关键参数——电压、充电/放电电流和温度,每个模块都必须单独记录。这是BMS的单位监控装置的工作。

但是,每个电池的数据只有在到达BMS的ECU后才有用,ECU控制每个模块的电池电源和供电方式,并维护电池的安全功能。

因此,电动汽车电池需要一种将数据从测量电压、电流和温度的每个模块传输到ECU的处理器的方法(见图1)。传统上,这些连接是通过电线进行的。有线连接的优点是众所周知和容易理解。

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图1是由ADI的wBMS技术实现的复杂的多组件有线BMS网络(左)和更简单的部署(右)

但是缺点也很多。铜线束很重,占用的空间用电池充电后,电力容量会更大。此外,连接器可能会出现机械故障。也就是说,电线增加了开发工作、制造成本和重量,同时减少了机械可靠性和可用空间,从而缩短了行驶距离。如果能拆除线束,汽车制造商也可以获得新的灵活性,设计电池组的外形规格以满足车辆的设计要求。

由于电池线束的复杂性,组装电池组很困难,成本也很高。有线电池组必须手动组装并连接到底。因为电动汽车的高压电池模块充电,所以这是一个成本高、危险的过程。为了维持装配过程的安全和保护生产线工人,必须实行严格的安全程序。

ADI模块化可扩展wBMS系统平台的优点是,OEM可以完全自动化电池组装。取消(信号)线束后,电池模块需要的唯一连接是机器人在自动化过程中可以轻松完成的电源终端。OEM通过消除体力劳动,还可以消除装配线工人的安全风险(见图2)。

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图2 wBMS技术消除信号线束,支持整个电池组的自动机器人生产。

Ultium模块的可扩展体系结构也有助于在通用汽车实施wBMS技术时降低通用汽车电池组的成本。Ultium电池于2021年首次出现,但这些模块将部署在通用汽车所有车型上,从所有公路车——到高性能、高级汽车到小型车辆。正如通用汽车全球电气化和电池系统执行董事Kent Helfrich在2020年9月的新闻稿中所说:“减少可扩展性和复杂性是Ultium电池的主题——无线管理系统是这种惊人灵活性的关键驱动力。”

因此,汽车制造商有充分的理由在新的电动汽车电池系统中用坚固的无线技术取代BMS电线。但是,ADI的wBMS技术的优势不仅限于在特许大厅销售的新车。

维修——安全无线功能,无需触摸电池组,即可通过授权维修店的诊断设备轻松分析电池组状态。检测到故障后,可以轻松地卸下和更换出现故障的模块。无线配置使在电池系统中安装新模块变得更加容易。

在——电池组中处置可回收金属和潜在危险物质的处置措施需要批准和管制。取消了简单的连接和通信线束,使电池模块比有线电池更容易、更快地移除。

特斯拉董事长埃隆马斯克(ELON MOSKK)估计,电池完全故障前的典型寿命相当于“100万英里”。因此,从废弃的电动汽车中回收电池,并在可再生能源储存系统、电动工具等中重复使用的二次电池市场正在兴起。为报废的电动汽车中回收或报废电池的电动汽车企业创造了新的价值源泉。

WBMS技术支持部门可以轻松读取每个IQ模块的主要电池数据。这意味着您可以单独检查每个电池的状态。例如,此数据可以提供有关模块的SOC和SOH的信息。第二个电池模块与模块最初制造时的数据一起在以下应用程序中最佳使用,每个模块在销售时都可以查看详细的规格:数据的现成可用性提高了模块的转售价值。

电池数据采集的完整无线系统

WBMS技术利用了ADI的两个长期优势:传感测量和射频通信。WBMS技术是汽车制造商轻松集成到电池组设计中的完美解决方案。为每个电池模块提供无线电池监控控制器(wCMC)设备,并通过无线管理器设备控制通信网络。通信网络将多个电池模块无线连接到ECU。

除了无线部分外,每个wCMC单元还包含同类最佳的电池管理系统,通过精确测量各种电池参数,处理器可以分析电池的SOC和SOH。

坚固的通信体系结构

ADI在wBMS系统中实现的无线网络协议以汽车行业的稳定性和安全性要求为中心。与蓝牙或Wi-Fi网络等消费电子无线技术不同,wBMS解决方案基于整个网络时间同步技术,致力于在所有工作条件下实现可靠、安全的通信。这是汽车应用程序所必需的。

WBMS使用通用汽车量产电动汽车,证明了其在最坏环境下的可靠性。基于wBMS的电池已经在100多辆道路和越野测试车辆上运行了数十万公里,涵盖了从沙漠到寒冷的北方的各种环境和最坏的条件。经验证的可靠性和成功通过所有OEM安全和坚固性认证,使wBMS能够快速应用于多种轿车。

ADI还通过wBMS支持汽车制造商的ISO 26262功能安全标准合规计划。无线技术和网络协议是专门开发的,使系统能够很好地应对嘈杂的环境,利用复杂的加密技术在监控设备和管理员之间提供安全的通信。安全措施避免了犯罪分子或黑客等意想不到的收件人对无线网络传输的数据进行欺诈。此外,接收的内容与发送的数据完全一致,因此不能在中途修改,预计收件人可以准确地知道发送消息的来源。

电池价值的生命周期管理

在电池组的生命周期内,从初始组装到报废再到阶段性利用,电池组内置的wBMS功能使车辆制造商和所有者能够轻松跟踪电池状态,保持性能和安全性,最大限度地发挥价值。整个系统——包括电池模块在内的电池监控设备和ECU之间的交互——由ADI技术控制,配置设置由制造商定义。

此外,wBMS技术还通过ADI电池生命周期洞察服务(BLIS)技术支持边缘和基于云的软件,支持跟踪能力、生产优化、存储运输监控、早期故障检测和延长寿命。

WBMS和BLIS技术可以帮助汽车制造商提高电池包开发和生产的投资回报,提高电动汽车业务战略的经济性,从而加快市长/市场向低碳可持续个人的移动。

_WBMS技术电动汽车制造商的新竞争优势

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