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利用无线BMS实现智能电池生态系统解决方案

2023-03-02 14:46:05 Stephan Prüfling和Norbert Bieler 阅读:
有关电池创新的新闻往往会突出新的电池封装概念和新材料,它们有朝一日可能能够比当今的锂电池技术储存更多的电量。电池的另一个部分——电池管理系统(BMS)——则往往不为人所知,但却需要跟进并以此来支持电池创新。

乘用车和商用车电动化正进入市场渗透的新阶段。从技术可行性论证到高档汽车量产的转变是显而易见的,技术的商业化带来了更优化和更实惠的车辆。bP8ednc

尽管如此,与传统的内燃机汽车相比,大多数现代电动汽车仍然被认为价格昂贵或吸引力较低。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。尺寸、重量和成本的降低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,续驶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终点,汽车制造商甚至将争夺从报废车辆中所回收的二次生命电池的价值。bP8ednc

出于这种需求,有关电池创新的新闻往往会突出新的电池封装概念和新材料,它们有朝一日可能能够比当今的锂电池技术储存更多的电量。电池的另一个部分——电池管理系统(BMS),用于监测电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)——则往往不为人所知,但却需要跟进并以此来支持电池创新。bP8ednc

电池管理系统都有哪些发展趋势?3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理IC原厂,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参加并到场交流。bP8ednc

在此,由ADI公司开发并由通用汽车公司在其模块化Ultium电池平台中所率先采用的新型无线BMS(wBMS)技术现已投入量产。wBMS为汽车制造商提供了贯穿电池整个生命周期的新竞争优势——从电池模块首次组装到在电动汽车中运行,再到处置,甚至可在需要时进入电池的第二次生命周期。bP8ednc

有线电池连接方法:昂贵、笨重且复杂

wBMS技术开发的目的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:其在无线通信领域提供了市场上最精确的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。bP8ednc

在传统的电动汽车电池组中,每个电池都由电池管理IC测量。来自电池管理IC的数据随后通过接线传回电池组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,每个模块又包含多个电池。自然生产差异意味着每个电池都具有在指定公差范围内变化的个体特征。为了最大化电池容量、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。bP8ednc

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图1:典型的多器件有线BMS网络(左)和通过wBMS技术实现的更简单的布置(右)。bP8ednc

这就是为什么电动汽车的电池需要用一种方法将数据从每个模块或电池(测量电压和温度)传输到ECU处理器(见图1)。传统上,这些连接是通过电线进行的:有线连接具有熟悉和易于理解的优点。bP8ednc

有线BMS的缺点

然而,也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,如果能换由电池来填充,则将能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,连接器可能会出现机械故障,尤其是在振动和冲击条件下。bP8ednc

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。这就会导致行驶里程减少。通过移除线束,这家汽车制造商获得了新的灵活性,可以满足汽车对电池组外形尺寸的设计要求。bP8ednc

电池线束的复杂性也使电池组的组装变得困难且昂贵:必须要组装有线电池组并且必须通过手动来终止连接。这是一项成本高昂且危险的过程,因为高压电动汽车电池模块需要充电。为了维护装配过程的安全并保护生产线工人,业界出台了严格的安全协议。bP8ednc

出于这些原因,原始设备制造商(OEM)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。bP8ednc

wBMS:一种新的智能方法

wBMS是一种完整的解决方案,汽车制造商可以轻松地将其集成到电池组设计中。它包括一个无线电池监控控制器(wCMC)单元,用于每个电池模块;还包括一个无线管理器单元,用于控制通信网络,后者将多个电池模块无线连接到ECU。除了无线部分,每个wCMC单元还包括一个BMS,它可以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。bP8ednc

虽然无线BMS技术充分利用了消除线束设计和装配问题的优势,但在电池生命周期内还有其他领域会产生额外价值:bP8ednc

  • 电池组装:电池模块唯一需要的连接是电源端子,这可以在高度自动化的过程中轻松完成。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(见图2)。此外,还可以在将模块安装到电池内部之前对其进行测试和匹配。

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图2:wBMS消除了BMS信号线束,以实现电池组的自动化、机器人生产。bP8ednc

  • 维修:安全的无线功能意味着可以通过授权车库中的诊断设备方便地对电池组的状况进行分析,而无需接触电池组。如果检测到故障,可以轻松移除和更换故障模块。无线配置简化了电池系统中新模块的安装。
  • 二次生命:随着汽车数量的增加,从报废的电动汽车中回收二次生命电池并将其重新用于可再生能源存储系统和电动工具等应用的市场正在兴起。由于wBMS可实现更简单的模块集成而将其用于二次生命应用,这还为电动汽车制造商创造了新的价值来源——是电动汽车制造商负责回收或处置报废电动汽车中的电池。
  • 处置:电池组内的可回收金属和潜在危险材料需要经过批准和监管的处置安排。简单的连接以及没有通信线束,使得电池模块的拆卸比有线电池更容易和更快。
  • 数据管理:无线BMS技术可以轻松读取每个智能模块的关键电池数据。这意味着可以单独确定电池的状况。例如,此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,这可以在其二次生命应用中实现最佳使用,并为每个销售模块提供一组详细的规格。该数据的现成可用性增加了模块的转售价值。

ADI的无线BMS完整解决方案

ADI公司在wBMS系统中实现的无线网络协议,基于全网时间同步技术,具有汽车行业在所有运行条件下对可靠性、安全性和保密性的要求。wBMS在通用汽车量产电动汽车中的使用,证明了其在最恶劣环境下的可靠性:基于wBMS的电池已在100多辆测试车辆中运行了数十万公里,包括公路和越野,在从沙漠到冰冻北方的各种环境中,并在最恶劣的条件下。bP8ednc

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灵活性,并使用了复杂的加密技术在监控单元和管理器之间提供安全通信。安全措施避免了意外接收者(例如罪犯或黑客)对无线网络上所传输的数据进行欺骗。此外,接收传输的数据时无需对内容进行任何修改,并且预期的接收者能确切地知道是哪个源发送了消息。bP8ednc

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二次生命,电池组中所嵌入的wBMS功能确保了车辆制造商和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,包括电池模块的电池监控单元和ECU之间的交互,都由ADI的技术所处理,而配置设置则由制造商所定义。bP8ednc

无线BMS技术还得到了ADI电池生命周期洞察服务(BLIS)技术的支持。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、早期故障检测和生命周期延长。wBMS和BLIS技术共同使汽车制造商能够从电池组开发和生产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、可持续的个人出行未来转变。bP8ednc

使用无线BMS设计和实现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公司提供了全方位的模拟、测试、工程能力和经验,以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它们推向市场。AVL目前正在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来开发电池生态系统解决方案,以延长电池的使用寿命和性能。bP8ednc

AVL与ADI携手,通过结合两家公司的实力,致力于为全球客户提供更智能的BMS解决方案。bP8ednc

3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理IC原厂,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参加并到场交流。bP8ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Wireless BMS Enables Smart Battery Ecosystem Solutions,由Franklin Zhao编译。)bP8ednc

本文为《电子技术设计》2023年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里bP8ednc

责编:Ricardo
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