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从“有线”到“无线”,悄然蜕变中的电池管理系统

发布时间:2021-4-7 9:58:00 浏览次数:60
 

上述观点得到了ADI资深战略与业务发展经理陈晟的认同。他在接受《国际电子商情》采访时表示,当前制约电动汽车市场发展主要有两大因素:首先,对电动车续航里程和电池安全性仍有顾虑;其次,因关键大件电池残值难以评估而导致二手车交易不畅,电池回收梯次利用也面临瓶颈。

“如果我们能够搭建一个可以实时监测的数据收集分析平台,以及支持数据实时收集的无线电池管理系统(WBMS),通过实时监测并分析电池运行的温度、电压和电流等关键数据的变化特性,对自燃风险进行提前预警,或是对二手车电池进行残值评估,上述两大问题将有望得到解决。”陈晟说。

德州仪器(TI)中国区嵌入式与数字光处理应用技术总监师英同样谈到了电池管理系统(BMS)从有线走向无线的变化趋势。众所周知,当前主流电动汽车所采用的BMS架构主要以有线方式为主,即通过基于菊花链配置的线束来连接电池组。然而,“这几磅重的电缆会对续航里程、可靠性、价格和安全性等方面产生不可忽视的负面影响。”师英强调称,“对新能源汽车而言,BMS的安全性是一个关键参考因素,要求非常严格。”

在他看来,传统有线BMS方案的最大弊端,在于每节电池都必须通过电缆连接到一个调节电量表现的监控器上,这使得线束和连接器成为导致电缆故障的常见原因。通常情况下,因为电缆故障而进行的保修费用高,更换电池也很昂贵。于是,为了使电缆连接更可靠,制造商往往采用重型铜线,导致电池管理系统中的电缆布置复杂且庞大。

传统有线BMS方案是不是正在陷入一个无解的“死循环”之中?ADI和TI两大模拟芯片巨头力挺的WBMS方案又有何神奇之处?

从“有线”到“无线”

按照陈晟的说法,传统电动汽车的电池连接非常复杂,电池模组之间需要相应的线束连接,无线BMS将电源、电池管理、射频通信和系统功能等所有集成电路、硬件和软件整合在单个系统级产品内,不再需要使用信号采样线连接电池,避免了由于线缆和接插件的安装错误造成的可靠性问题;节省了高达90%的线束和高达15%的电池组体积,提高了电池包的能量密度,提高设计灵活性和可制造性;并支持ASIL-D级别的功能安全和模块级安全性。同时,电池组从有线连接到无线连接的转变使汽车制造商能够将电动汽车平台灵活扩展至多种车型,以满足消费者不断发展的需求。ADI的无线BMS解决方案不仅可以简化制造流程,还可以根据无线数据构建新系统,从而加快整个行业向可持续未来的迈进。

在ADI和中国电动汽车百人会共同发起的一项名为“基于无线传输与云服务的汽车锂电池寿命及健康状态监测”的项目中,我们看到了双方为此做出的有益尝试。这是一项基于ADI无线电池管理系统的技术和平台方案,通过全程无线实时的电池数据监测,可以做到全生命周期的电池安全和性能监测。目前,ADI为该项目提供了独立开发的电池全生命周期端云结合管理平台演示系统,可以实现电池从制造过程(分容化成)、仓储、电池运输、车辆生产、道路行驶、维护,到二手车交易及电池梯次利用在内的完整生命周期的监测和管理。

ADI无线BMS监测解决方案可以覆盖电动汽车电池的全生命周期 图片来源:ADI

而基于云平台的电芯级别全程无线监控,无疑将无线电池管理系统的优势进一步外延,不仅在汽车制造上实现降低成本,更加灵活的电池布局让电动车工业设计更加灵活,同时能够在电池生产、仓储、运输整个流程中全程实现数据实时采集和基于云平台的监测分析。

TI的无线BMS解决方案则基于CC2662R无线MCU、BQ79616-Q1电池监控器和平衡器,功能安全概念采用专为无线BMS使用案例开发的新无线协议。根据师英的介绍,该无线BMS方案已经通过了符合汽车安全完整性等级ASIL D认证,以及更高水准的国际标准化组织(ISO)26262认证,可实现超过99.999%的网络可用性和300ms的网络重启更大可用性,多个电池单元能够以±2mV的精度向主MCU发送电压和温度数据,且网络数据包错误率小于10-7。

考虑到汽车制造商的长期设计需求,TI无线BMS创新技术还能够在多平台上进行可靠扩展和系统级设计。例如汽车制造商能够在不同的电池配置下(如具有32、48和60个电池单元的系统等),将采用单个无线片上系统的电池模块与多个BQ79616-Q1电池监控器相连。此外,该系统设计可支持多达100个节点,每个节点都达到业界更低的延迟(低于2ms) ,并且每个节点的测量均可实现时间同步。

不会“一蹴而就”

不过,尽管前景看好,但TI电池管理系统工程经理吴万邦认为,从有线BMS方案迁移到无线BMS方案并非一蹴而就,设计工程师需要时间将新的方案融入其设计开发中。而在这一过程中,还需要对电源系统安全性、网络系统可靠性进行持续性验证,以确保电池系统能够在最大效率下安全运行,这对无线BMS的商用化至关重要。因此,为了进一步助力无线BMS方案的落地,TI也提供了从软硬件到参考设计全流程解决方案,以加速相关产品的上市时间。

陈晟认为,从有线到无线BMS的转换并不是一件轻松的工作,面临着大量潜在的工程挑战,尤其在可靠性与安全性方面。所有的性能指标以及参数,都必须经过从理论到实验室,再到各种复杂工况下的大量实车验证。目前,通用汽车已经将ADI 无线BMS技术应用于自己的Ultium电池平台中,并计划扩展到不同子品牌和更多车型细分领域(从卡车到性能车等)。未来,ADI将在更多量产的项目上展示ADI方案经过大批量验证后的各项性能。

ADI首款用于量产电动汽车的无线电池管理系统 图片来源:ADI

实现无线BMS,需要半导体厂商、Tier1、车厂调整从生产到管理再到运营的诸多细节,将系统效益最大化。ADI方面的做法,是将这套无线电池管理与云平台有机整合在一起的端云结合系统平台,作为ADI与中国电动汽车百人会联合打造的成果共享给包括锂电池制造商、整车厂、充换电基础设施以及电池回收在内的全产业链企业进行利用开发,以便于有效整合产业链上下游的资源与需求,实现产业的长期良性互动合作。

“整车厂掌握大量终端用户电池运行数据,电池企业对电池特性非常熟悉能提供有效的数据分析能力,电池梯次应用商家和二手车买主需要中立权威的电池性能监测数据……”陈晟说,这些信息可以通过平台实时传递到云端,汽车厂商可以通过这些数据延长电池以及整个电动汽车的生命周期;产业链合作伙伴可以利用这些数据评估电池的健康状态以及残值,促进电动汽车二手车市场的健康可持续发展,让消费者愿意去购买电动汽车;甚至在电池不能继续服役于电动汽车时,仍然能根据实际存在的准确容量评估有效的服役于储能等梯次利用场景中。