電動車能源系統再進化 無線BMS串連電池生命週期

2022 年 04 月 01 日

當特斯拉(Tesla)挹注了大筆投資設立生產電池的超級工廠,福斯(Volkswagen)車廠亦計畫於2030年之前在歐洲設立六座電池廠,種種跡象反映出,電池已成為車輛產業最具策略重要性的元件。各家車廠致力減少車載電池的尺寸、重量、以及對於車輛使用壽命的成本影響,同時延長電池能夠支援的行駛距離,這些因素將對其市占率與競爭力產生巨大的影響。隨著越來越多舊電動車的壽命走向結束,車廠未來將競相從廢車回收這些所謂的二次生命(Second life)電池。

電池研發的焦點以往大都放在新穎甚至稀奇的材料,希望未來能儲存比現今鋰電池技術更多的電荷。另一方面電池管理系統(BMS)則負責監視電池的電量狀態(SOC) 與健康狀態(SOH),其重要性卻很容易被忽視。事實上,廠商如亞德諾半導體(ADI)新開發的無線電池管理系統(wBMS)技術,已經由通用汽車率先用在旗下的Ultium模組化電池,此技術將為車廠帶來一項新競爭優勢,除了從電池模組組裝一直到電動車運行後電池整個生命週期,甚至還延伸到車輛報廢後電池回收再利用。

電池線路成本/空間/重量考量

在傳統電動車電池方面,有線線路支援電池組中各單元(Cell)與電子控制單元(ECU)之間的通訊,ECU負責管理電池運作並確保電池為汽車提供電力。電池內部通訊的需求反映出大型電池組的複雜架構:由多個模組構成,每個模組含有多個單元。自然的製造變異(Production Variation)意謂每個單元可能有個別的特性,其變異會在允許公差範圍內。為達到最大的電池容量、壽命、以及效能,電池運作的關鍵參數,電壓、充/放電電流、以及溫度都必須對每個模組個別進行監視與記錄,而單元監視的任務就落在BMS身上。

但從每個單元擷取的資料,必須傳到BMS的ECU之後才算有用,ECU負責控制向電池供應電力以及從電池擷取電力的方式,各個模組單獨控制,同時還要維持電池的安全功能。因此電動車的電池需要一種方法在每個模組之間傳遞資料,從模組量測到電壓、電流、溫度等數據,然後再傳到ECU的處理器(圖1),傳統上這些連結都是透過實體線路執行。

圖1 典型的多組件有線式複雜BMS網路(圖左),以及ADI無線電池管理系統技術促成的簡化配置(圖右)

然而有線BMS也有一些缺點,包含銅質纜線沉重又占空間,若是裝入電池單元,則會額外付出能源容量的代價。此外,接點往往是潛在的機械故障源頭。也就是說, 纜線不僅會增加研發負荷、製造成本、重量,還會降低機械可靠度與可利用空間,導致行駛距離縮減。若是能擺脫纜線束縛,車廠還能獲得新的彈性,配合車款設計的各種要求,設計出理想規格的電池組。

電池線路的複雜性亦導致電池組的組裝既困難又昂貴:線組必須以人工組裝與接線。這種生產程序既昂貴又危險,因為高電壓電動車電池模組會充滿電荷。為維持組裝流程的安全性以及保護生產線員工,業界一般會實施嚴格的安全規範。

以ADI的模組化與可擴充wBMS系統平台為例,該平台可協助OEM廠商以完全自動化方式組裝電池組。在消除(訊號)纜線後,電池模組唯一需要的連結就是供電接頭,也可透過自動化生產線的機器手臂進行組裝。藉由精簡人力需求,OEM廠商還能降低生產線人員的安全風險(圖2)。在通用車廠實作的wBMS技術案例中,Ultium電池模組的可擴充架構亦協助通用降低電池組的成本。雖然Ultium電池是在2021年首度亮相,但模組先前已經部署在通用旗下眾多車款,包括重型車款和多地形越野車,以及豪華、一直到小型車款。正如通用車廠全球電動化與電池系統部門經理Kent Helfrich在2020年9月在媒體發表會上所述,擴充性以及降低複雜度是Ultium電池強調的主軸,而無線管理系統更是促成如此應用彈性的關鍵因素。

圖2 wBMS技術汰除訊號線路,促成業界機械自動化生產整個電池組

許多原因促使車廠在新電動車電池系統中把BMS的有線技術換成無線技術, wBMS技術所具備的優點非常廣泛,有助於電動車的維護、電池回收以及電池的第二生命應用。

・維護

安全無線功能意謂電池組的狀態可以非常便於分析,透過授權車廠的診斷設備即可進行遠端判讀,甚至無須接觸到電池組。一旦偵測到故障狀況,可以輕易移出與更換已故障的模組,因此無線設定可簡化電池系統中新模組的安裝流程。

・回收

電池組內部的可回收金屬,以及潛在危險材料的處置須受當局的監督與管制。簡化連結加上沒有通訊纜線,使得電池模組比有線電池更快且更容易拆卸。

・第二生命

未來電動車電池的生命週期很可能超越電動車本身的壽命,特斯拉的伊隆‧馬斯克(Elon Musk)預測電動車電池的典型壽命,在完全失效之前可支撐100萬英哩的行駛哩程。現今市場已出現從報廢電動車回收的二次生命電池,改裝後用在各種再生能源的儲能系統以及各種電動工具。這也為電動車廠開拓新的價值來源,這些車廠原本就要負責回收或處置報廢電動車的電池。

wBMS技術讓系統更容易從每個智慧模組讀出關鍵電池資料,這表示BMS可以判斷個別電池的狀態。這些資料可提供關於模組的SOC與SOH資訊。再配合模組最初製造時的資料,即可針對下一個應用為二次生命模組規畫出最佳的使用模式,以及為每個出售模組列出詳細規格數據,這些資料可增加模組的再銷售價值。

獲取電資料的完整無線系統

wBMS技術屬於完整解決方案,協助車廠可整合到電池組的設計。wBMS包含一個無線單元監視控制器(wCMC),每個電池模組配置該元件,另外還有一個無線管理單元,負責控制通訊網路,該網路以無線方式將多個電池模組連到ECU。除了無線部分外,每個wCMC單元還包含一個頂級電池管理系統,負責精準量測各種電池參數,讓應用處理單元能分析電池的SOC與SOH。

強化通訊架構

wBMS系統建置的無線網路協定迎合汽車產業對可靠度、維安、防禦等方面的要求。有別於像藍牙或Wi-Fi這類消費導向無線技術,採用全網時序同步技術的wBMS解決方案著重在所有工作條件下均能執行可靠且安全的通訊,滿足各種汽車應用的要求。

通用車廠在量產電動車中運用wBMS即證實在各種惡劣環境下的可靠度:搭載wBMS的電池已在超過100部測試車款經歷數十萬公里的測試,包括道路與越野,以及從沙漠、高緯度凍土、一直到最惡劣的天候環境。經過驗證的可靠度以及成功通過所有OEM廠商安全與強固性的規格認證,此技術很快就會出現在各種載客車款。

無線電技術與網路協定的研發,確保系統在充斥雜訊的環境能正常運行,以及在監視單元與管理元件之間運用精密加密技術進行安全通訊。這些安全措施可防範無線網路上傳送的資料被罪犯或駭客偽造。此外,接收到的傳送資料內容不會有任何修改,接收端也知悉發出訊息的確切來源。

電池價值的生命週期管理

在整個電池組的生命週期,從最初組裝、汰除、一直到二次生命,內嵌在電池組的wBMS確保車廠與車主能輕易追蹤電池的狀況,維持效能與安全性以及發揮最大價值。整個系統,包括電池模組單元與監視單元和ECU之間的互動,由ADI技術處理,這些元件負責管理製造商定義的各項設定。

此外,wBMS技術背後還有ADI的電池生命週期洞悉服務(BLIS)技術支援,能夠提供邊緣與雲端式軟體,藉以支援追蹤、生產最佳化、監視儲存與運輸、早期故障偵測、以及生命週期延續。wBMS配合BLIS技術讓車廠從電池組研發與製造獲取更高的投資報酬,提升電動車商業策略的經濟效益,協助市場加快邁向低碳永續的未來個人移動模式。

(本文作者Norbert Bieler為ADI業務發展總監;Paul Hartanto為智慧移動系統技術專家)

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