深度解析通用汽车奥特能无线电池管理系统及应用框图

作为一款专门为电动汽车设计，基于滑板底盘概念的车辆平台，奥特能的设计理念是模块化和智能化的有机整合，目标是实现灵活开放的平台架构与研发和生产成本的平衡。平台涵盖了纯电动汽车的三大核心要素，即电池、电机和电控。从目前通用透露的数据来看，奥特能平台可以提供2种电芯、2种模组、7种电池包，以及3 套动力总成系统组成的十多种驱动组合。不仅如此，奥特能还将传统的电池管理系统BMS升级为无线电池管理系统（wBMS），实现了智能电池设计。

这为通用扩展其电动汽车家族带来了相当的便利和优势。其一，电子电气架构的融合和接口的标准化使得大量共用零件的开发成为可能，缩短了研发周期，降低了研发成本。其二，不同车型间共用的零部件可以大大增加单一品类的采购量，根据怀特定律，可以显著降低采购单价，并且推动供应商主动提高制造精度和质量，简化生产流程与生产设备，进而降低生产成本。最后，平台化设计也简化售后渠道，降低维护难度和库存压力。

因此，通用对奥特能平台寄予厚望，计划在该平台上打造出轿车、SUV、MPV、皮卡、箱型货车，甚至自动驾驶小巴等不同尺寸、不同档次和不同用途的全系列电动车型。到2025年，通用将在全球推出30款以上基于奥特能平台的车型，预计年销量超过1百万辆。目前已亮相的车型包括纯电悍马HUMMER EV（皮卡和SUV）、凯迪拉克Lyriq和雪佛兰Blazer SS，分别于2021年、今年和2023年春与消费者见面。根据通用的电动车推出节奏，笔者预计奥特能平台的销量高峰将在2023年后出现，这也符合平台核心供应商Wolfspeed所透露的营收增长曲线。

系统设计上的模块化和灵活性

在整体架构上奥特能平台具有模块化的特性，目的是实现乐高式的设计。以通用给出的简要配置方案为例，首先选用软包电芯并根据车型的不同需求组合成单层或者双层的高压电池包，再选择适当的电驱单元，就可以分布搭建出凯迪拉克Lyriq和纯电悍马（皮卡和SUV版本）两种完全不同车型所需的电动动力总成和底盘设计。

与此同时，奥特能平台在dash-to-axle（前轴中心点到A柱下沿的横向距离）以及occupant couple distance (前后座椅间距)的选择上也具有一定的设计弹性，因此奥特能平台可以分布针对前驱或者后驱进行优化。后驱设计时可以增加dash-to-axle的长度满足高端车型对空间和轴距的要求，同时可以放入更多的电池模组，提高电池包的储能能力和车辆行驶里程。而在前驱车型中则缩短dash-to-axle长度，减少电池模组用量到10个甚至更少，降低电池成本，实现经济型汽车对尺寸和成本的规划。同时，较短的电池包尺寸可以留出较大的空间，更有效的设计前部结构载荷，在满足结构强度要求的同时，降低材料重量和成本。当然，除了前驱和后驱外，奥特能平台也能够兼容全时四驱设计。

奥特能平台能兼具为前驱和后驱设计进行优化（来源：通用汽车）

动力总成的电气设计

按照笔者的惯例，首先关注的是奥特能平台的高压部分，包括电池包和电驱，前者是奥特能名字的由来，而后者的内部代号为BEV3平台。从通用提供的资料来看，平台的电池包设计可以针对不同的车型快速调整。例如，电池包有单层和双层两种配置，大型车辆可以选用双层电池包增加行驶里程。而在以后电池能量密度提高后，可以重新简化为成本更低的单层设计。此外，电池包还可根据轴距允许的电池外壳尺寸在每层装入6块到12块不等的电池模组，使得车辆上装载的总电池模组数量从最少6块（6x1层），到多达24块（12x2层）。这意味着奥特能平台的电池包可以适配于从经济型小车，跨界车，到全尺寸SUV和皮卡的全系列车型。

另外，在每个电池模组的内部，还可以通过不同的电芯串并联方式（两并十二串或三并八串），得到48V或者32V的输出电压。当不同数量的电池模组串联后，电池包的电压规格可以为300V, 330V，400V或者其他（因此平台也允许奇数的电池模组串联）。在双层电池包的设计中，通用巧妙加入了一个专利设计的控制方式，可以把两层电池在并联或者串联之间切换，使得总电压可以为400V或者800V。这一设计已经有了实际的应用：纯电悍马皮卡在行驶时两层电池并联使用，用400V电压驱动电机，兼容其他车型的逆变器设计。而在充电时又切换串联模式到800V，允许350kW的大功率直流快速充电。

奥特能平台允许不同的电池包配置，因此也有不同的输出电压（来源：通用汽车）

至于BEV3中用到的核心功率开关器件，在网上并没有找到直接的料号信息。但是根据通用和碳化硅芯片供应商Wolfspeed在2021年10月联合公布的消息，两家公司将在碳化硅芯片上建立战略合作关系并签署保供协议（Wolfspeed Assurance of Supply Program, WS AoSP）。因此，碳化硅MOSFET模块是平台核心功率器件的首选，而Wolfspeed是其主要供应商。但是考虑到Wolfspeed碳化硅的产能和协议签署的时间点，通用目前应该也使用了一家德国专业模块供应商的碳化硅模块或者IGBT模块。在电机方面，通用为奥特能平台或者更具体的说BEV3平台设计了三款电机，包括用于前轮驱动应用的 180 kW永磁电机，以及前驱和后驱均可使用的 255 kW 永磁电机和 62 kW全轮驱动辅助感应电机。例如，纯电悍马皮卡上用到了三台255kW永磁电机，一台在前，两台在后。这个类似特斯拉Model S Plaid的电机布局可以提供了总计945马力的动力，将这款全尺寸皮卡在3秒内加速到60英里每小时。鉴于三款电机可以提供 5 种可能的电机布局，再加上奥特能平台上电池包配置的灵活性，未来奥特能平台可以提供多达19 种不同的电池和驱动单元组合。

电芯和电池模组

奥特能平台的一个重要设计目的就是不依赖于单一的锂电池供应商，甚至单一的锂电池电芯设计。因此平台可以兼用软包和方型两种封装方式的电芯。目前纯电悍马中用到电芯是软包型式，采用LG新能源的NCMA四元电池（尺寸为23x4x0.4英寸）。介于通用汽车和LG新能源今年初宣布投资26亿美元在密西根州Lansing建立专门生产该类电池的合资公司Ultium Cells，奥特能平台在北美将主要采用NCMA四元电池。而另一种方型电芯则采用NCM811高镍配方，能量密度较622更高。同时，平台所用的三元锂电芯还经过工艺优化，正极材料通过纳米级包裹加定向掺杂过渡金属原子，比原有配方的热稳定性提升10%，具备低衰减、长寿命的优势。另外，也可使用具有成本和安全优势的磷酸铁锂电池。

电芯组合起来就构成了电池模组，这是高压电池包结构的第二层。奥特能平台的电池模组配置了集成式独立液冷板以及电池管理系统BMS，并根据所用电芯提供2种方案供选择——内含12枚方型电芯或者24片软包电芯。但是两种模组其外尺寸和外部机械结构完全相同，所有的电子电气连接和散热结构也是100%通用。这意味着更换电芯种类或者电芯供应商时，电池模组之上的系统结构并不需要更改。因此，奥特能平台可以做到全球推广，但是本地采购电池。

另外，采用软包电芯的电池模组还可以选择在水平方向或者垂直方向上堆叠电芯。后者可以按照堆叠的电芯数量呈现多种电池模组高度，之后再用其搭建电池包时，可以在电池包的不同部位实现不同的局部厚度，这种厚薄不均的电池包称之为“Multi-Height Packs”。这对设计高度较矮的轿跑型电动车带来了好处，可以根据乘员所处的位置，在其下方选用高度较小的电池模组，获得额外的车内空间，使乘坐体验更为舒适，同时又尽量增加了电池包的容量。

电池包和电池管理系统

电池模组拼合就组成了电池包。奥特能平台提供了七种以上的电池包方案，分别使用6模组、8模组一直到24模组的组合。除了电池包构成的灵活性之外，奥特性平台另具变革性的设计就是其无线电池管理系统（wBMS）。在芯片供应商ADI的帮助下，奥特能平台可以通过事先安装在电池模组内部的无线通信模块，采用2.4GHz频带与每个模组进行无线通信。每个模组内对电芯的状况进行实时监测和控制，采集包括气压、电池温度和电池电压等数据，如果监测数据出现异常则立即诊断直至采取缓解措施。同时，配合通用新一代 VIP（Vehicle Intelligence Platform）电子架构，电池模块远程配置和远程迭代（OTA）等智能化设计成为可能。

无线电池管理系统及其应用框图（来源：Visteon，ADI）

除此之外，无线电池管理系统还简化了电池包设计，最直接的优化就是电池包中线束用量减少了最多90%，使得电池包减重的同时提高了电池包内的空间利用率。电池包体积因此缩减了至多15%，获得了能量密度的提升。其次，线束的简化还减少了接插件的使用，不仅减少了相应的成本，也降低了这部分元件带来的故障率。在电池包的生产方面，无线方案使得电池的检测方案简化，减少了传统电池测试中接头插拔带来的零件损伤，提高了装配质量和产线效率。与此同时，线束的减少和无线配置可以给电池布置带来方便，满足系统模块化和平台化的要求。最后，当电芯性能不再适合电动汽车使用时，无线电池管理系统还可以帮助电池的回收和再利用。

安全防护

除了实时电池监控带来的安全性提升外，奥特能平台还采用了其他措施保证电池包的安全，包括在每片电芯之间用气凝胶作为隔热材料建立间隔热墙，降低了电芯之间的温度传递。同时，电池上盖内置气凝胶防火毯，防止热量向乘员舱扩散。除此之外，奥特能平台还有一系列其他的特殊设计或者专利设计，例如抑制热扩散的“安全阀+快速排气通道”设计，提升10%换热效果的底部集成独立液冷板，用于快速散热的后置大面积防爆阀，以及在高压元件失控后防止气体放电的防拉弧设计。

奥特能平台电池包中所带的7重保护，包括实时智能监控系统、纳米级航天材料气凝胶、安全阀和排气通道的专利设计、防拉弧设计、集成式全独立液冷系统、气凝胶防火毯（来源：通用汽车）

不仅如此，奥特能平台在电池包的机械设计中也考虑到了电池物理防护——电池包中的横梁和周边结构用螺栓固定在车身结构上，打造出“井”字型的高强度电池壳体。这些刚性结构大量使用高强度和超高强度钢，例如电池包内的横梁与上盖总成侧边防护梁采用1500MPA超高强度钢材进行加固和侧边防护，托盘总成采用1000MPA高强度钢材加强底部防护。这些加强设计把整车的抗扭刚度提升了约45.8%。奥特能平台电池包技术负责人Andy Oury表示，平台电池包的加强结构在对整车安全起到促进作用的同时，其中加入的剪切板（shear panel）还使得车顶不再是满足车身强度所必要的一部分，因此可以在奥特能平台上实现如纯电悍马皮卡那样的敞篷设计。