無線電池管理系統—透過更高的電池效能、使用壽命、與成本效益催生智慧電池生態系解決方案
前言：
作者：ADI Stephan Prüfling 及行銷經理 Norbert Bieler
介紹
乘用車與商用車的電氣化正邁入開拓市佔率的新階段。目前已從技術可行性的展示，明顯轉變成眾多豪華車款的量產。技術的商業化，引領業界走向更加優化與平價化的車款。
不過相較於傳統內燃引擎汽車，大多數目前世代的電動車(EV)仍被認為是昂貴或吸引力較低的車種。因此想要確保成功且永續的市場成長，關鍵在於降低成本與改善效能。降低尺寸、重量、以及成本，將會影響到電池系統在車輛整個生命週期的競爭優勢。另一方面，延長行駛哩程也會顯著影響產品在市場上的吸引力與競爭力。此外，隨著越來越多電動車達到壽命終期，各家車廠將競相從回收報廢車輛電池的梯次利用電池中獲取價值。
出於此方面的需求，電池創新方面的新聞專注於報導新的電池封裝概念，以及有朝一日能儲存比現今鋰技術更多電荷的新材料。電池中另外一個部分 – 電池管理系統(BMS)專責管理電池的充電狀態(SOC)與健康狀態(SOH) – 向來沒有受到太多關注，然而如今也需要跟上與支援電池的創新步伐。
在此方面，Analog Devices開發的新穎無線電池管理系統(wBMS)技術，由通用汽車率先用在其模組化鋰電池平台，現已開始大量生產。wBMS賦予車廠一項新的競爭優勢，涵蓋電池整個生命週期 – 從電池模組組裝、電動車開始運轉、退役淘汰、若有需要甚至還覆蓋到電池的梯次利用。
有線式電池連結 - 昂貴、沉重、複雜的方式
在分析現今傳統電動車電池組其通訊佈線的缺點之後，業界開始著手研發wBMS技術。本文分析ADI的專業技術:為市場提供無線通訊領域最精準的BMS晶片。ADI亦針對工業環境開發全球最堅韌的網路式連網技術。
在傳統的電動車電池組中，會由電池管理IC量測每個單元的數據。從電池管理IC擷取的數據再透過纜線傳回至電池組的ECU。此種模式需要電池內部的通訊機制，反映出大型電池組的複雜架構: 通常由許多模組構成，每個模組含有多個單元。自然的生產變異表示每個單元會有自己的特性，在額定的容差範圍內波動變化。為盡可能提高電池容量、壽命、以及效能，電池工作的關鍵參數 – 包括電壓、充電/放電電流、以及溫度 – 就必須對每個模組進行監控與紀錄。
圖1 典型的有線式多元件BMS網路(圖左)以及wBMS技術促成更簡化的配置(圖右)。
因此電動車電池需要一種方法在每個模組或單元之間傳送資料，將量測到的電壓與溫度傳送到ECU處理器(見圖1所示)。傳統上這些連結都是透過纜線: 有線連結具備的優點就是各界熟悉且充分瞭解。
有線式BMS的缺點
然而有線技術也有一連串的缺點:銅線束增加重量與佔用空間，而這些空間如果換成裝入電池單元則可提供額外的能源容量。此外，纜線需要固定在電池的殼體結構，而連接器在沖擊與震動狀況下有可能出現機械性故障。
也就是說，纜線不僅會增加研發工作、製造成本、重量，還會降低機械可靠度與可使用空間，進而縮減行駛哩程。透過移除線束，車廠可獲得新的彈性，因應車輛設計在電池組規格方面的各種要求。
電池線束的複雜性也會讓電池組的組裝困難且昂貴: 帶線的電池組必須以人工組裝與安裝接線。但因高壓電動車電池模組送到生產線時已經充滿電荷，使得組裝與接線的製程既昂貴又危險。為維持組裝製程以及生產線員工的安全，必須實施嚴格的安全規定。
基於這些原因，OEM廠商有足夠的理由在新電動車電池系統平台中推出強固的無線技術。
wBMS—新的智慧方式
wBMS是一種完整的解決方案，讓車廠很容易將其整合到電池組設計。此種解決方案包含一個為每個電池模組配置的無線單元監視控制器(wCMC)單元，以及一個負責控制通訊網路的無線管理單元，透過無線網路連至ECU。除了無線部分外，每個wCMC單元還包含一個BMS，負責執行高精準量測，擷取各種電池參數，讓應用處理單元能分析電池的充電狀態與健康狀態。
wBMS技術充分發揮去除線束以及組裝問題的優勢，而電池生命週期內還有許多領域能從中產生額外的價值:
► 電池組裝—電池模組唯一需要的連接就是電源端子，這個端子在高度自動化製程中就能製作完成。透過省去組裝與測試階段的人工作業，此種方式還能避免組裝線員工的安全風險(如圖2所示)。此外，模組還能先進行測試與匹配然後再安裝到電池內。
圖2. wBMS省去BMS訊號線束，促成電池組能以機械自動化方式生產
► 保養維護 – 安全的無線功能表示授權保修廠可利用診斷設備方便地分析電池組，無須費力拆出電池組。如果偵測到故障，也可輕易拆除與更換有瑕疵的模組。無線設定功能可簡化電池系統中新模組的安裝流程。
► 梯次利用—隨著車輛數量的增加，報廢電動車回收的梯次利用電池的市場也逐漸浮現，以及轉用至包括再生能源儲能系統以及電動工具等其他應用。這又為電動車製造商創造另一個新的價值來源，這些負責回收或處置報廢電動車內電池的廠商也能從中獲益，因為wBMS為各種梯次應用創造更簡易的模組整合方式。
► 處置—電池組內部的可回收材料以及潛在危險材料需要由當局核准與管制的機構進行處置。簡單的連結以及沒有通訊線束，讓業者在拆除電池模組時會比拆除具有通訊線電池來得更加容易與迅速。
► 數據管理—wBMS技術讓業者很容易從每個智慧模組讀取出關鍵的電池數據:因此系統能判斷個別電池的狀態。這些數據可提供包括像個別模組的充電狀態與健康狀態。再對照模組最初生產時的資料，即可優化梯次應用的使用效率，並針對每個待售模組提供詳細的規格資料。備齊這些數據可提高模組的再銷售價值。
ADI針對wBMS開發的完整解決方案
ADI在wBMS系統中建置的無線網路協定基於全網時間同步技術，滿足汽車產業在所有運行條件下對於可靠性、安全性、以及防禦抗駭的要求。通用汽車在量產款電動車中運用wBMS正是證明其在各種嚴厲環境中的可靠度: 搭載wBMS的電池在100多部測試車輛中運行數十萬公里，包括道路與越野，以及沙漠與高緯度、低溫等最嚴苛的條件。
在wBMS方面，ADI亦支援各車廠的計畫，推動ISO 26262功能安全標準的合規性。無線電技術與網路協定的開發目標是讓系統在充斥雜訊的環境中保持韌性，並運用精密的加密技術，在受監視單元與管理元件之間提供安全的通訊機制。各種安全措施可防止犯罪人士或駭客以偽冒手段截收無線網路上傳送的資料。此外，接收到的傳輸資料內容沒有經過任何修改，目標收訊端也知悉傳送該訊息的來源端。
對電池價值的生命週期管理
在整個電池組的生命週期，從最初的組裝、回收處置、一直到梯次利用，嵌入在電池組的wBMS功能確保車廠與車主能輕易追蹤電池的狀態，維護效能與安全性、以及發揮最大價值。整個系統，包括電池模組單元、監視單元、以及ECU之間的互動，全都由ADI的技術處理，而組態設定則由製造商自行定義。
wBMS技術背後還有ADI的電池生命週期洞察服務(BLIS)技術提供支援。其提供邊緣與雲端式資料軟體，支援可溯源、生產優化、倉儲與運輸階段的監視、先期故障偵測、以及延長使用壽命。wBMS與BLIS技術讓車廠能從電池組研發與生產的投資中獲得更高的收益，改善電動車商業策略的經濟效益、以及協助加速市場轉移至未來的永續低排碳的個人移動。
運用wBMS設計與促成這類電池解決方案的關鍵，在於對系統的理解，以及相關方法與工具的支援。AVL提供全方位的模擬、測試、工程功能、以及經驗，與客戶聯手推動這些創新，讓其能用在批量生產環境，迅速將產品推入市場。AVL正大力開發電池生態系解決方案，研發數據分析方法、運用虛擬研發所支援的預測功能、以及車輛與電池資料，藉以提高電池的壽命與效能。
ADI與AVL結合兩家企業的實力，合力為其全球客戶提供更智能化BMS解決方案。
