wBMS技术：电动汽车制造商的新竞争优势

作者：Norbert Bieler，Paul Hartanto-Doeser

特斯拉对电池“超级工厂”的大规模投资以及大众汽车计划到2030年在欧洲建立六个专门的电池生产工厂1表明电池已成为汽车行业中最具战略意义的部件。

汽车制造商努力减少电池在车辆整个生命周期内的尺寸、重量和成本影响，并延长电池支持的行驶里程，这将对其市场份额和竞争力产生巨大影响。随着越来越多的老式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所谓二次电池的价值。

关于电池发展的新闻头条倾向于强调对新的，有时是奇特材料的研究，这些材料有一天可能能够存储更多 充电比今天的锂技术;电池的一个完全不同的部分 - 电池管理系统（BMS），用于监控电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH） - 往往会被忽视。但事实上，由ADI公司开发并由通用汽车在其模块化Ultium电池中率先推出的新型无线电池管理系统（wBMS）技术有望在电池的整个生命周期内为汽车制造商提供新的竞争优势，从电池模块首次组装到电动汽车运行，再到处置。 甚至进入电池的第二次寿命。

继通用汽车发布悍马EV之后，2ADI公司是众多采用wBMS的型号中的第一个，它运行了一个批量生产计划，展示了如何 我们的无线技术实现了电动汽车电池的设计、生产、维修和处置的转变。

与电池中的有线连接相关的成本、空间、重量和设计问题

ADI公司开发wBMS技术的灵感来自于对传统电动汽车电池组中通信布线缺点的分析。该分析借鉴了该公司的专业知识：它提供市场上最准确的传统BMS，在无线通信领域它是5G无线电技术的领导者。它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电池中，布线支持电池组中每个电池与电子控制单元（ECU）之间的通信，电子控制单元调节其操作以确保其为车辆供电。

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，需要为每个模块单独监控和记录电池运行的关键参数（电压、充电/放电电流和温度）。这是BMS中细胞监测单元的工作。

但是，来自每个电池的数据只有在到达BMS的ECU时才有用，ECU控制电池的供电方式，一个模块一个模块地控制电池的供电方式，并保持电池的安全功能。

这就是为什么电动汽车的电池需要一种方法来将数据从每个模块（测量电压、电流和温度）传输到ECU的处理器。 （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.典型的复杂多组件有线BMS网络（左）和ADI公司的wBMS技术实现的更简单的排列（右）。

但是，编制一长串不合适的方法并不难：铜线束很重，占用的空间，如果由电池填充，将提供额外的能量容量。此外，连接器可能会遭受机械故障。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。摆脱线束，汽车制造商也获得了新的灵活性，可以设计电池组的外形尺寸以适应车辆的设计要求。

电池线束的复杂性也使电池组的组装变得困难且昂贵：必须手动组装有线组并终止连接。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。

ADI公司模块化和可扩展的wBMS系统平台的优势在于，OEM可以完全自动化电池组组装。消除（信号）线束后，电池模块唯一需要的连接是电源端子，机器人可以在自动化过程中轻松完成。通过消除体力劳动，OEM还消除了装配线工人的安全风险（见图2）。

在通用汽车实施wBMS技术的过程中，Ultium模块的可扩展架构也有助于降低通用汽车的电池组成本。虽然 Ultium电池于2021年首次亮相，这些模块将部署在通用汽车的整个系列中，不仅在重型车辆中，而且在所有公路车中，从高性能和高档汽车到小型车。正如通用汽车全球电气化和电池系统执行董事Kent Helfrich在2020年9月的新闻公告中提到的那样，“可扩展性和复杂性降低是我们Ultium电池的主题——无线管理系统是这种惊人灵活性的关键推动因素。3

因此，汽车制造商有很多充分的理由在新的电动汽车电池系统中用强大的无线技术取代BMS的电线。但优点 ADI公司的wBMS技术超出了新车在特许经销商前院出售的时间点。

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。

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。

第二次生命——未来电动汽车电池的寿命可能会超过车辆本身的寿命：特斯拉的埃隆·马斯克（Elon Musk）估计，电池在完全失效之前的典型寿命相当于“100万英里”。因此，现在正在出现一个市场，即从报废的电动汽车中回收的二次电池，并重新用于可再生能源存储系统和电动工具等应用。这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。

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，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，这允许在下一个应用中优化使用二次使用模块，并为销售的每个模块提供一套详细的规格。数据的现成可用性增加了模块的转售价值。

用于电池数据采集的完整无线系统

wBMS技术利用了ADI公司处于市场领先地位的两个长期领域：检测与测量以及RF通信。wBMS技术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。它包括用于每个电池模块的无线单元监控控制器（wCMC）单元，以及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。

除无线部分外，每个wCMC单元还包括一个一流的电池管理系统，该系统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。

强大的通信架构

ADI公司在wBMS系统中实施的无线网络协议的核心是汽车行业对可靠性、安全性和安全性的要求。与蓝牙或Wi-Fi网络等面向消费者的无线技术不同，wBMS解决方案基于全网时间同步技术，强调在所有工作条件下实现可靠和安全的通信，以满足汽车应用的要求。®

在通用汽车的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多辆测试车辆中运行了数十万公里，无论是公路还是越野，以及从沙漠到冰冻的北方和最恶劣的条件下。经过验证的可靠性，并成功通过了所有OEM安全性和稳健性认证，它将很快出现在各种乘用车中。

借助wBMS，ADI公司还支持汽车制造商符合ISO 26262功能安全标准的计划。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技术处理，配置设置由制造商定义。

wBMS技术还由ADI公司的电池生命周期洞察服务（BLIS）技术提供支持。这提供了基于云的边缘和云软件，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获得更高的投资回报，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。

审核编辑：郭婷