如何实现智能电池生态系统解决方案

作者：Stephan Prüfling，Norbert Bieler

乘用车和商用车的电气化正在进入市场渗透的新阶段。从技术可行性论证的转变 高档汽车的量产是显而易见的。技术的商业化带来了更优化和更实惠的车辆。

尽管如此，与传统内燃机汽车相比，大多数最新一代电动汽车（EV）仍然被认为昂贵或吸引力较低。因此，降低成本和提高性能是确保成功和可持续市场增长的关键。减小尺寸、重量和降低成本会影响电池系统在车辆整个生命周期内的竞争优势。另一方面，续航里程的延长也会对其市场吸引力和竞争力产生重大影响。此外，随着越来越多的电动汽车达到使用寿命，汽车制造商甚至将争夺从报废车辆中回收的二次电池的价值。

出于这种需求，有关电池创新的新闻往往会突出新的电池包装概念和新材料，这些概念和新材料有朝一日可能能够储存。 比今天的锂技术充电更多。电池的另一部分 - 电池管理系统 （BMS），用于监控充电状态 （SOC） 和 电池的健康状态 （SOH） 往往不为人知，但需要跟踪和支持电池创新。

在这里，由ADI公司开发并由通用汽车在其模块化Ultium电池平台中率先推出的新型无线BMS（wBMS）技术现已发布。 到批量生产。wBMS为汽车制造商在电池的整个生命周期内提供了新的竞争优势 - 从电池模块首次组装开始，到在电动汽车中运行，再到处置，甚至在需要时进入电池的第二次寿命。

有线电池连接 — 昂贵、繁重且复杂的方法

wBMS技术开发的意图是基于对当今传统电动汽车电池组中通信布线缺点的分析。该分析借鉴了ADI的专业知识：它为无线通信领域提供市场上最精确的BMS IC。ADI还为工业环境开发了世界上最强大的网状网络技术。

在传统的EV电池组中，每个电池单元都由电池管理IC测量。然后，来自电池管理IC的数据通过接线传输回电池组ECU。这种对电池内部通信的要求反映了大型电池组的复杂架构：它通常由模块组成，每个模块包含多个电池。自然生产变化意味着每个细胞都有单独的特征，这些特征在指定的公差范围内变化。为了最大限度地提高电池容量、使用寿命和性能，电池运行的关键参数 — 电压、充电/放电电流和 温度—需要为每个模块单独监控和记录。

这就是为什么电动汽车的电池需要一种方法将数据从测量电压和温度的每个模块或单元传输到ECU处理器的原因（见图1）。传统上，这些连接是用电线进行的：有线连接的优点是熟悉和易于理解。

图1.典型的多组件有线BMS网络（左）和wBMS技术实现的更简单的排列（右）。

有线BMS的缺点

然而，还有一系列与电线相关的缺点：铜线束增加了额外的重量并占用了空间，如果由电池填充，将提供额外的能量容量。此外，接线需要固定在电池外壳结构上，连接器可能会遭受机械故障，尤其是在振动和冲击条件下。

换句话说，电线增加了开发工作量、制造成本和重量，同时还降低了机械可靠性和可用空间。这导致行驶里程减少。通过移除线束，汽车制造商获得了新的灵活性，以满足车辆对其电池组外形的设计要求。

电池线束的复杂性也使电池组的组装变得困难且昂贵：必须组装有线组，并且必须手动端接连接。这是一个昂贵且危险的过程，因为高压电动汽车电池模块是充电的。为了维护装配过程的安全并保护生产线工人，我们采用了严格的安全协议。

出于这些原因，OEM厂商有充分的理由在新的电动汽车电池系统平台中引入强大的无线技术。

wBMS — 一种新的智能方法

wBMS是一个完整的解决方案，汽车制造商很容易集成到电池组设计中。它包括一个用于每个电池模块的无线单元监控控制器（wCMC）单元和一个用于控制通信网络的无线管理器单元，该单元将多个电池模块无线连接到ECU。除了无线部分外，每个wCMC单元还包括一个BMS，可对各种电池参数进行高精度测量，以便应用处理单元可以分析电池的SOC和SOH。

虽然wBMS技术充分利用了消除线束设计和装配问题的优势，但在电池生命周期中还有更多领域将产生额外的价值：

电池组件—电池模块唯一需要的连接是电源端子，这可以通过高度自动化的过程轻松完成。通过消除装配和测试的体力劳动，这也避免了装配线工人的安全风险。此外，模块还可以在安装在电池内部之前进行测试和匹配。

维修—安全的无线功能意味着无需接触电池组即可通过授权车库中的诊断设备方便地分析电池组的状况。如果检测到故障，可以轻松拆卸和更换故障模块。无线配置简化了电池系统中新模块的安装。

二次生命——随着车辆数量的增加，从报废的电动汽车中回收并重新用于可再生能源存储系统和电动工具等应用的二次生命电池市场正在兴起。这也为电动汽车制造商创造了新的价值来源，这些制造商负责回收或处置报废电动汽车中的电池，因为wBMS允许更简单地集成用于二次生命应用的模块。

处置—电池组内的可回收金属和潜在危险材料需要批准和规范的处置安排。简单的连接和没有通信线束使得电池模块的拆卸比有线电池更容易、更快捷。

数据管理—wBMS技术可以轻松从每个智能模块中读取关键电池数据：这意味着可以单独确定电池的状况。例如，这些数据可以提供有关模块的SOC和SOH的信息。结合模块最初生产时的数据，这允许在其 第二次生命应用，并为销售的每个模块提供一套详细的规格。这些数据的现成可用性增加了模块的转售价值。

ADI公司wBMS完整解决方案

ADI在wBMS系统中实现的无线网络协议满足了汽车行业对基于全网时间同步技术的所有工作条件下的可靠性、安全性和安全性的要求。在通用汽车量产电动汽车中使用wBMS证明了其在最恶劣环境中的可靠性：基于wBMS的电池已经在100多辆测试车辆中行驶了数十万公里，公路和越野，以及从沙漠到冰冻的北方和最恶劣的条件下。

借助wBMS，ADI还支持符合ISO 26262功能安全标准的汽车制造商计划。无线电技术和网络协议的开发方式使系统在嘈杂的环境中具有弹性，并使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。安全措施可避免犯罪分子或黑客等意外接收者欺骗在无线网络上传输的数据。此外，传输的数据是在不修改内容的情况下接收的，并且预期的接收者确切地知道哪个来源发送了消息。

电池价值的寿命管理

在电池组的整个生命周期中，从初始组装到处置再到第二次寿命，嵌入在电池组中的wBMS功能可确保车辆制造商及其车主可以轻松跟踪电池的状况，保持性能和安全性，并实现价值最大化。整个系统，包括电池模块的电芯监控单元与ECU之间的交互，由ADI的技术处理，配置设置由制造商定义。

wBMS技术还以ADI的电池生命周期洞察服务（BLIS）技术为后盾。这提供了基于边缘和基于云的数据软件，以支持可追溯性、生产优化、存储和运输监控、早期故障检测和寿命延长。wBMS和BLIS技术共同使汽车制造商能够在电池组开发和生产方面的投资中获得更高的回报，提高其电动汽车业务战略的经济性，并帮助加速市场向低碳、可持续的个人移动出行未来的转变。

使用wBMS设计和启用此类电池解决方案的关键是系统理解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、工程能力和经验，与客户一起成功推动这些创新，并通过为批量生产做好准备，将其推向市场。AVL目前正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车辆和电池数据，大力致力于电池生态系统解决方案，以便 提高电池的使用寿命和性能。

审核编辑：郭婷