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日本瑞萨电子:无线BMS将大力推动新能源车被广泛采纳

特普生科技 特普生科技 2023-04-17 13 621

无线电池管理系统 (wBMSes) 在提高新能源车行驶里程和降低成本的同时,通过提供更高的安全性和可靠性来增加电动汽车被广泛采纳的可能性。无线 BMS 解决方案还在电池放置和跨 EV 平台的可扩展性方面提供了更大的灵活性。此外,先进的监控功能让电池重获新生。

无论是有线还是无线,BMS 的主要工作是保护电池,防止在其安全工作区域之外运行。它还在充电和放电期间监控电池的充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH),并执行电池平衡以优化电池,从而延长电池寿命和 EV 续航里程。BMS监控多个电池单元参数,如过压/欠压以及过流/欠流,以确保电池不会过载。它还监控温度以防止电池过热或膨胀。

美国跨国半导体公司Analog Devices Inc. 的wBMS营销经理Shane O'Mahony称:BMS 将从所有串联的电池中获取数据,并确保其在安全范围内运行,一旦建立安全,下一个关键角色就是优化电池的性能。

BMS 的最大任务是确保电池安全,日本瑞萨电子公司汽车解决方案业务部汽车模拟电源和视频业务部 BMS 应用经理 Tony Allen 表示赞同。电压读数、电流读数、温度读数和阻抗测量——您正在使用 BMS 前端从电池收集所有这些原始数据。所有这些 [数据] 都进入微控制器 [MCU],MCU 实时使用该数据来计算 SOC(本质上是剩余续航里程)和 SOH(即整个电池的状态)。”

如今,大多数电动汽车使用有线 BMS 来监测电池或电池组的 SOH 和 SOC,这些系统被认为是安全且非常稳健的。然而,有线 BMS 解决方案需要复杂的布线、连接器、隔离设备和其他组件,这会增加电动汽车的重量和成本。线束和连接器也是常见的故障源,增加了维护和维修成本。还存在体力劳动(电缆布线)和数据收集延迟问题的潜在挑战。

据 ADI 称,通过移除线束,wBMS 可实现更快的电池组制造和组装以及自动化,以简化和扩展 EV 车队生产。

因此,许多汽车制造商正在寻找通过消除有线 BMS 所需的布线、连接器和其他组件来减轻重量的 wBMS 解决方案,从而增加行驶里程,这仍然是消费者最关心的问题。它还通过消除线束和相关组件(通常是故障源)来提高可靠性,并通过更容易维护和更换电池模块来降低制造成本。它还允许在放置电池模块的位置方面具有更大的灵活性。

一旦电池系统的重量减轻,行驶里程就会增加,这对于用例应用来说非常重要,汽车解决方案业务部汽车模拟电源和视频业务部无线充电和 BLE 高级营销经理YING YANG说,在 Renesas Electronics Corp.,“不仅成本降低,汽车更轻,而且使用相同的电池,你可以走得更远,所以这些都是无线的好处。”   而日本瑞萨电子公司汽车解决方案业务部汽车模拟电源和视频业务部副总裁 Niall Lyne 称:“车辆的每一盎司重量都很重要……减轻重量确实是一个巨大的好处,最终会延长您的续航里程,”

无线BMS将大力推动新能源车被广泛采纳

图片说明:有线与无线电池管理系统(来源:瑞萨电子公司)

BMS 解决方案供应商还认为,通过过渡到无线连接,汽车制造商可以更轻松地在不同车型上扩展其 EV 平台。他们一致认为,主要的汽车原始设备制造商都在关注无线系统。

得益于这些优势,ADI、Renesas Electronics 和Texas Instruments Inc.(美国德州仪器)等功率 IC 制造商正在开发新的无线解决方案,使汽车 OEM 能够降低设计复杂性和成本。这些先进的 BMS 系统可以监控和管理单个电池单元和电池组,有助于提高电池效率和可靠性。

这是关于数据

瑞萨的Niall Lyne认为,无论是无线还是有线 BMS,都必须尽快测量参数。“在计算 SOC 时,您希望能够即时监控电池组中电池的电流和电压以及所有参数,这非常重要,”他补充道。但数据在有线和无线 BMS 解决方案中的处理方式不同。

O'Mahony 说,在这两个系统中,电池模块上都有电池传感器,它们可以监控电压、温度和其他诊断信息。他解释道,在有线系统中,数据通过电线传输。原始数据进入中央处理器,每包一个,中央处理器会对数据进行处理,判断是否处于安全运行区域,充电状态如何,健康状态如何,为充电提供数据和电池电量计算法。

“在无线系统中,情况有点不同,”O'Mahony 认为。“我们为每个电池部分添加了一个带有处理功能的安全无线电。例如,如果你有一个像典型汽车一样的 400 V 电池,则可能有八个电池模块或八个电池部分,因此每个电池部分现在都有自己的无线单元,可以进行安全处理和安全处理。数据被收集并可以由边缘单元处理,然后无线传输回类似的中央控制器。”

他补充说,有了这个分布式处理系统,它可以更快地收集数据,因为一切都在边缘。“你可以决定像以前在有线系统中那样集中处理,或者你现在可以开始使用无线系统进行一些边缘处理。

“有线和无线系统都必须实现相同级别的基本功能以确保电池安全,但使用安全边缘处理器,有时您可以从数据中获取更多信息,并且还可以减轻中央处理器的负载,”奥马奥尼说。

wBMS 带来的另一项新功能是,即使在将电池模块放入 EV 之前,也可以对其进行监控。

有了无线 BMS,因为每个电池模块一创建就添加了安全处理,它甚至可以在它进入汽车、坐在工厂或从电池制造商运输到工厂之前就开始测量和处理数据,奥马奥尼说。“它提供了从摇篮到坟墓的整个生命周期的生命周期数据。”

O'Mahony告诉我们,这也是第一次达到这种级别的安全性。他补充说在带有简单电池监视器的有线系统中,如果用类似的监视器更换电池,它不知道电池是真品还是假冒品。

有了无线 BMS,每个单元都可以自我验证,所以当它被带入完整包装时,它会知道它是正品还是假冒品,所以无线系统有一些新的可能性,O'马奥尼说。电池组可以自动剔除不良电池模块,因此不会将它们添加到电池组中。

O'Mahony 说,通过在整个生命周期(从组装到仓储再到运输)中获取数据,它更有可能发现异常或制造不正确的特定电池等问题,从而避免车辆召回。

可扩展性和电池放置

使用 wBMS 的最大好处之一是可扩展性。它使汽车原始设备制造商能够轻松地在不同的车型和用例中使用相同的模块设计。

他们可以使用一个通用的 wBMS 平台,该平台可通过无线方式为每种车型配置软件。这是通用汽车为其 Ultium 电池平台采用 wBMS 的一个关键原因,使该公司能够跨品牌和汽车细分市场进行扩展。该汽车制造商将 wBMS 归因于实现其车队的广泛电气化。

通用汽车GM选择了 ADI 的 wBMS 解决方案。“您只需担心不同的软件,这就是它的简单性,”O'Mahony 说。

世界著名的豪华跑车与赛车品牌路特斯汽车Lotus Cars 还在未来五年内将 ADI 的 wBMS 用于其新的 EV 量产车系列。他们计划开发一种新的超轻型动力总成架构和 wBMS。

Lyne 解释说,汽车制造商像使用积木一样使用电池组。他们希望拥有相同的电池组设计,并将它们放入不同尺寸(电池数量)的每辆车中,并且他们希望架构相同,因为同一个系统需要进行大量开发。

“然后你可以进行 EMI/EMC 测试,这非常昂贵——每辆车可能需要几十万美元——但如果你有一个通用的电池组系统和架构,你将节省大量成本、开发时间和时间安排,然后您可以为不同的客户提供不同的包装尺寸,”Lyne 说。“使用无线技术要容易得多,因为您不需要安装限制电池最大数量的线束,而今天就是这种情况。另外,它的重量。”

无线BMS将大力推动新能源车被广泛采纳

瑞萨电子汽车解决方案业务部副总裁 Niall Lyne(左二)与同事

但是,测试挑战仍然存在。Lyne 说,汽车 OEM 的每种不同车型都有不同的法拉第笼(又称法拉第屏蔽箱),而您的无线设备在该法拉第笼中的性能因车辆而异。“因此,即使他们可能为不同的车辆配备同一个电池组,但由于尺寸、框架和制造方式的原因,他们可能在车内存在其他免疫问题。”

你如何应对挑战?莱恩说,这就是秘诀所在。除了执行不同的 EMI/EMC 测试以及低功耗蓝牙 (LE) 在环境中的行为方式外,它还受到电路板布局和 RF天线设计等因素的影响。

无线 BMS 还可以帮助将模块放置在车辆中。“您不再需要考虑连接在哪里或如何连接数据,”O'Mahony 说。“如果 OEM 正在设计 10 种不同类型的汽车或应用程序,这肯定会在机械上有所帮助,因为最终,您不必通过制造连接线束,因此会更容易、更快和如果你要做的机械任务越少,做起来就越可靠。”

无线 BMS 挑战

还有其他挑战,例如安全性和选择无线协议。关于哪个更好——行业标准的无线通信协议还是专有标准,似乎存在一些争论。

使用无线 BMS,可以减轻重量并提高可靠性,因为您没有物理连接器,物理连接器会随着时间的推移而失效并受到振动的影响,例如,Allen 说,但您确实需要更加关注安全性。

“因此,无线协议内置了有线系统不需要的所有这些安全性,因为它是硬连线的,”Allen 说。“你不能从外面穿透它。就交换的数据而言,它们都是一样的。”

瑞萨电子选择低功耗蓝牙作为其 wBMS 解决方案的无线协议,部分原因是其收购了 Dialog Semiconductor。Lyne 说,Bluetooth LE 是一项众所周知的技术,已在行业中得到验证,它是一个开放标准,全世界有许多人使用该技术,并且它内置了加密功能。

凭借加密和其他安全功能,电池组无法被破解,这也意味着电池无法更换为假冒产品。

那么,为什么选择蓝牙而不是其他无线通信标准呢?这是关于更高的带宽。

“我们希望尽快实时监控电池数据,”Lyne 说。“BLE 具有最高的带宽,这意味着我们实际上可以尽可能快地监控电池数据。

“最终,原始设备制造商希望测量电池的等效阻抗,并据此确定电池的健康状况和电池中剩余的范围,”他补充道。

“有一个专有标准 [用于无线 BMS],它的速度不如 BLE,它不能满足电池管理系统所需的时序标准,而且它的功耗比我们的高得多,”Lyne 说。“此外,BLE 的成本要低得多。”

Lyne 表示,汽车原始设备制造商更喜欢使用标准和第二来源,特别是由于过去两三年的产能限制。他说,他们还将能够在车辆的其他应用中使用 BLE,并搭载 BLE。但是,一些 BMS 供应商认为,为用例量身定制的专有无线标准是最佳选择,可以更好地处理干扰等问题,安全和安全。

例如,ADI 的无线 BMS 解决方案使用其从头开始构建的专有网络以及无线电硬件。

无线BMS将大力推动新能源车被广泛采纳

ADI 的 Sentinel wBMS 是一种专门构建的汽车电池管理系统

“EV 电池组中的无线技术具有挑战性,我们很早就看到它需要一个针对该用例量身定制的专有系统,”O'Mahony 说。“推出一年后,ADI 的系统是唯一投入生产的系统。

“这不是一个容易解决的问题,但你确实需要推动定制的特定应用网络和硬件来解决这个问题,”他补充道。

O'Mahony 说,还需要通过无线解决安全问题,ADI 再次从头开始构建安全问题。“我们还看到汽车行业出现了新的 ISO 21434 网络安全标准。”

根据 TÜV NORD Mobilität 的说法,ADI 的 wBMS 已通过 ISO/SAE 21434 网络安全风险管理认证,并且是第一个满足此资格的公司。

“电池组肯定是确保安全的关键关键系统之一,”O'Mahony 说。

ADI 决定采用专有网络和定制硬件的另一个原因是为了处理干扰,包括带内干扰。O'Mahony 表示,ADI 需要一种即使在强干扰环境(包括车内和车外)中也能正常运行的系统。

安全是汽车原始设备制造商面临的另一个大问题,ADI 和其他公司已通过遵守最高安全标准 ASIL-D 来解决这个问题。

电动汽车电池的第二次生命

无线 BMS 还可以更轻松地将电池重新用于第二次生命,这对环境有益。没有线束,可以更轻松地更换和重复使用电池组。

Lyne 说,电池组整个生命周期内的数据健康状况、电池组的保修和电池组的效率(电池组能持续多久)等规格都非常重要。

“许多汽车公司对他们的汽车使用电池组进行了八年的评估,但如果在八年之后,例如长达 10 年,你仍然从该电池组中获得大于 86% 的效率,那就是另外两个多年的寿命超出了最初的希望,”Lyne 说。“这对客户来说是双赢,对开发它的原始设备制造商来说也是双赢,这也意味着你在电池组的整个使用寿命期间对其进行了很好的处理。

当人们今天对电池组进行快速充电时,这会对电池的电介质造成更大的压力,更可能会缩短电池组的使用寿命,但他们仍然必须保证八年,他补充道。“当电池组在汽车中的效率低于 86% 时,您将不再保证它最初始的续航里程——150 英里、200 英里或其他,(每小时 55 英里的典型驾驶条件),且以它开始退化,他们想做的是更换电池或更换整个电池组。

正是在这一点上,用于电动汽车的锂离子电池被重新用于第二次生命。它们可以在各种应用中重复使用,从服务器的备份系统到住宅太阳能电池板。电池组对这些工业应用具有保修或保证仍然很重要,这也是电池监测数据或 SOH 发挥作用以指示电池性能的地方。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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