無線BMS實現智慧電池生態系統
作者 : Stephan Prüfling和Norbert Bieler
wBMS為汽車製造商提供了貫穿電池整個生命週期的新競爭優勢——從電池模組首次組裝到在電動車中運行，再到處置，甚至可在需要時進入電池的第二次生命週期...
客座車和商用車電動化正進入市場滲透的新階段。從技術可行性論證到高檔汽車量產的轉變是顯而易見的，技術的商業化帶來了最佳化和更實惠的車輛。
儘管如此，與傳統的內燃機車輛相比，大多數現代電動車(EV)仍然被認為價格昂貴或吸引力較低。因此，降低成本和提高性能是確保成功和永續市場成長的關鍵。尺寸、重量和成本的降低會影響電池系統在車輛整個生命週期內的競爭優勢。另一方面，續航里程的延長也會對其市場吸引力和競爭力產生重大影響。此外，隨著越來越多的電動車達到使用壽命終點，汽車製造商甚至將競爭從報廢車輛中回收二次生命電池的價值。
出於這種需求，有關電池創新的新聞往往突顯新的電池封裝概念和新材料，它們有朝一日可能比當今的鋰電池技術儲存更多的電量。電池的另一個部份——電池管理系統(BMS)，用於監測電池的充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)——則往往不為人所知，但卻需要跟進並以此來支持電池創新。
為此，由ADI開發並由通用汽車(General Motors)在其模組化Ultium電池平台中率先採用的新型無線BMS (wBMS)技術現已投入量產。wBMS為汽車製造商提供了貫穿電池整個生命週期的新競爭優勢——從電池模組首次組裝到在電動車中運行，再到處置，甚至可在需要時進入電池的第二次生命週期。
有線電池連接：昂貴、笨重且複雜
wBMS技術開發的目的是基於對當今傳統電動車電池組中通訊佈線缺點的份析。在傳統的電動車電池組中，每個電池都由電池管理IC測量。來自電池管理IC的資料隨後透過接線傳回電池組ECU。這種對電池內部通訊的要求反映了大型電池組的複雜架構：它通常由模組組成，每個模組又包含多個電池。自然生產差異意味著每個電池都具有在指定公差範圍內變化的個體特徵。
為了最大化電池容量、壽命和性能，電池運行的關鍵參數——電壓、充電/放電電流和溫度——必須為每個模組單獨監控和記錄。
圖1：典型的多元件有線BMS網路(左)和以wBMS技術實現的更簡單佈局(右)。
這就是為什麼電動車的電池需要用一種方法將資料從每個模組或電池(測量電壓和溫度)傳輸到ECU處理器(見圖1)。傳統上，這些連接是透過電線進行的：有線連接具有熟悉和易於理解的優點。
有線BMS的缺點
然而，這也有一連串與電線相關的缺點：銅線束增加了額外的重量並佔用了空間，如果能換由電池來填充，則將能提供額外的能量容量。此外，接線需要固定在電池外殼結構上，連接器可能會出現機械故障，尤其是在振動和衝擊條件下。
換句話說，電線增加了開發工作量、製造成本和重量，同時還降低了機械可靠性和可用空間。這就會導致行駛里程減少。透過移除線束，汽車製造商獲得了新的靈活性，能夠滿足汽車對電池組外形尺寸的設計要求。
電池線束的複雜性也使電池組的組裝變得困難且昂貴：必須要組裝有線電池組並且必須通過手動來終止連接。這是一項成本高昂且危險的過程，因為高壓電動車電池模組需要充電。為了維護裝配過程的安全並保護生產線工人，業界出臺了嚴格的安全協議。
出於這些原因，原始設備製造商(OEM)有充份的理由在新的電動車電池系統平臺中引入強大的無線技術。
wBMS：一種新的智慧方法
wBMS是一種完整的解決方案，汽車製造商可以輕鬆地將其整合到電池組設計中。它包括一個無線電池監控控制器(wCMC)單元，用於每個電池模組；還包括一個無線管理器單元，用於控制通信網路，後者將多個電池模組無線連接到ECU。除了無線部份，每個wCMC單元還包括一個BMS，它可以對各種電池參數進行高精度測量，以便應用處理單元可以份析電池的SOC和SOH。
雖然無線BMS技術充份利用了消除線束設計和裝配問題的優勢，但在電池生命週期內還有其他領域會產生額外價值：
- 電池組裝：電池模組唯一需要的連接是電源端子，這可以在高度自動化的過程中輕鬆完成。除了消除裝配和測試的體力勞動，也避免了裝配線工人的安全風險(見圖2)。此外，還可以在將模組安裝到電池內部之前對其進行測試和匹配。
圖2：wBMS消除了BMS訊號線束，以實現電池組的自動化、機器人生產。
- 維修：安全的無線功能意味著可以透過授權車庫中的診斷設備方便地對電池組的狀況進行份析，而無需接觸電池組。如果檢測到故障，可以輕鬆移除和更換故障模組。無線配置簡化了電池系統中新模組的安裝。
- 二次生命：隨著汽車數量的增加，從報廢的電動車中回收二次生命電池並將其重新用於可再生能源存儲系統和電動工具等應用的市場正在興起。由於wBMS可實現更簡單的模組集成而將其用於二次生命應用，這還為電動車製造商創造了新的價值來源——是電動車製造商負責回收或處置報廢電動車中的電池。
- 處置：電池組內的可回收金屬和潛在危險材料需要經過批准和監管的處置安排。簡單的連接以及沒有通訊線束，使得電池模組的拆卸比有線電池更容易和更快。
- 資料管理：無線BMS技術可以輕鬆讀取每個智慧模組的關鍵電池資料。這意味著可以單獨確定電池的狀況。例如，此資料可以提供有關模組的SOC和SOH的資訊。結合模組最初生產時的資料，這可以在其二次生命應用中實現最佳使用，並為每個銷售模組提供一組詳細的規格。該資料的現成可用性增加了模組的轉售價值。
wBMS實現電池生態系統
在wBMS系統中的ADI無線網路通訊協定基於全網時間同步技術，具有汽車產業在各種運作條件下對可靠性、安全性和保密性的要求。wBMS在通用汽車量產電動車中的使用，證明了其在最惡劣環境下的可靠性：基於wBMS的電池已在100多輛測試車輛中運行了數十萬公里，包括公路和越野，在從沙漠到冰凍北方的各種環境中，並在最惡劣的條件下。
藉由wBMS，ADI也支持符合ISO 26262功能安全標準的汽車製造商計畫。無線電技術和網路通訊協定的開發方式使系統在嘈雜的環境中具有靈活性，並使用複雜的加密技術在監控單元和管理器之間提供安全通訊。安全措施避免了意外接收者(例如罪犯或駭客)對無線網路上所傳輸的資料進行欺騙。此外，接收傳輸的資料時無需對內容進行任何修改，並且預期的接收者能確切地知道是哪個源發送了消息。
電池價值的壽命管理
在電池組的整個生命週期中，從初始組裝到處置再到二次生命，電池組中所嵌入的wBMS功能確保車輛製造商和車主可以輕鬆追蹤電池的狀況，保持性能和安全性，並實現價值最大化。
無線BMS技術還得到了ADI電池生命週期洞察服務(BLIS)技術的支援。這提供了基於邊緣和基於雲端的資料軟體，以支援可追溯性、生產最佳化、儲存和運輸監控、早期故障檢測和生命週期延長。wBMS和BLIS技術共同使汽車製造商能夠從電池組開發和生產的投資中獲得更高的回報，提高其電動車業務戰略的經濟性，並説明加速市場向低碳、可持續的個人出行未來轉變。
使用無線BMS設計和實現此類電池解決方案的關鍵是系統理解，以及支援上述設計和技術的方法和工具。AVL公司提供了全方位的類比、測試、工程能力和經驗，以與客戶一起成功推動這些創新，並通過為批量生產做好準備將它們推向市場。AVL目前正在通過開發資料份析方法、使用虛擬開發支援的預測功能以及車輛和電池資料來開發電池生態系統解決方案，以延長電池的使用壽命和性能。
(參考原文：Wireless BMS Enables Smart Battery Ecosystem Solutions，by Brett Brune)
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