新一代無線BMS可望加速EV設計與普及

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

市場分析師都預期,無線電池管理系統會是讓電動車更進一步普及化的關鍵推手,因為能有助於車廠避免為每一代新車款重複設計複雜的佈線圖,也有助於確保電池的可擴展性。

通用汽車(GM)未來將在其電動車(EV)產品中採用一種無線電池管理系統(wireless battery management system,wBMS);該系統是GM與半導體大廠ADI合作開發,也有潛力成為其他電動交通解決方案的主要電力來源。

許多市場分析師都預期,無線電池管理系統會是讓電動車更進一步普及化的關鍵推手,因為能有助於車廠避免為每一代新車款重複設計複雜的佈線圖,也有助於確保電池的可擴展性。這樣一套強韌、可靠又安全的系統能良好運作,並以最先進的IT安全方案提供保護非常關鍵。

wBMS能以無線方式透過GM的空中下載平台Vehicle Intelligence Platform升級以軟體為基礎的新功能,而此用於車輛數據與診斷需求的無線系統具備所有FCC與CCC認證,以確保相容性與符合網路安全規範,能保障消費者的車輛不受到外部的網路攻擊。

電動車持續演進,電動車內部的電池管理系統亦然;電動車中採用的電池已經讓電子設計朝向新一代的電荷監測(electric charge monitoring)元件發展,除了計算電荷累積(accumulation)以作為性能參數,這種監測也能確保長久的電池使用壽命,並避免可能會損害電池芯以及電動車本身的狀況。

BMS是負責管理整個鋰電池陣列(單電池芯或者是整個電池組),判別安全運作區域──也就是電池組能保證最佳技術與能源表現的一個範圍。BMS是能完整控制所有診斷與安全性功能的電子系統,並管理車載高電壓與電荷平衡。

一個完整的12V車用電池監測系統解決方案。

(圖片來源:ADI)

 

無線BMS

電池管理系統是電動交通的一個關鍵要素,為其添加無線功能是非常具吸引力的方案,但也需要很多的「關照」;GM與ADI合作開發的wBMS方案免除了傳統的線路連結,節省了拉線與電池組的數量,號稱能提升設計彈性、簡化生產又不需要在電池性能上妥協。

wBMS在單晶片上包含了所有基本的電源/電池管理軟硬體、RF通訊,以及ASIL-D認證、模組等級安全功能。該系統號稱能充分利用每一顆電池的電力,支援車輛的最佳行駛距離,還能支援零鈷(cobalt)環保電池化學材料,例如磷酸鋰鐵(lithium iron phosphate,LFP)電池。

ADI車用部門技術總監Gina Aquilano與GM負責電池系統電子元件的Tao Wang接受《EE Times》訪問時特別強調無線技術能帶來的彈性,以及簡化電池組設計的模組化特性;Aquilano表示:「這能讓車廠更輕鬆擴大EV的市場接受度。相較於線束電池,無線電池組重量更輕、佔據空間更小,這有助於支援車輛的行駛距離目標。」

Aquilano也指出,不同於有線/線束電池,無線電池的性能可以被持續監測;這能支援在使用中進行故障偵測、發出通知,也能有助於改善未來的電池設計與組裝;「EV電池的一個挑戰──也是一大商機──是能確保二手使用,我們的wBMS能在整個電池生命週期中提供使用數據與相關訊息,能最大化其二手使用效益。」

GM的Wang則表示,無線電池管理系統會是GM最終以一套通用電池零組件應用於眾多不同電動車款的關鍵推手,「我們預期這將有助於GM的Ultium電池EV更快上市,因為不需要花費時間為每一款新車開發專屬通訊系統或是重新設計複雜的佈線圖,這也能確保Ultium電池載GM未來產品線的的可擴展性,涵蓋不同的品牌與車型,從重型卡車到訴求性能車款。」

 

電動車專用的無線電池管理系統。

(圖片來源:ADI)

 

GM開發的新型Ultium電池,在電池內部能以垂直或水平方式堆疊電池芯;這種選項讓製造商能根據個別車款最佳化電池組佈局。這種電池的容量從50kWh到200kWh,意味著能支援未來GM的電動車款達到超過640公里的行駛距離。

Wang指出:「作為擁有完整車輛種類的製造商,我們必須建立數個規範以確保該無線電池監測系統夠堅固耐用,能適應我們目前打造之不同車款的所有極端案例;我們很有信心我們已經實現了一個能橫跨我們未來整個EV產品線的可擴展解決方案。」

該系統能讓電池進行性能量測,因此能提升早期錯誤偵測綠,實現最佳化的電池組裝。涵蓋組裝、運輸、安裝、維修到二手使用的整個電池生命週期中,相關數據都能在遠端進行監測。其量測參數與有線系統的相同,包括電壓、溫度與電流。Aquilano強調,wBMS實際上能更精確管理電池,並因為能取得整個生命週期的量測參數而更充分了解其性能。

Aquilano表示,利用2.4GHz無線技術的wBMS去除了BMS控制器與監測器之間的有線通訊,彼此之間的數據與指令傳輸改以無線進行;在與GM合作開發期間,進行了嚴苛的系統測試以確保該技術能在與其他2.4GHz無線通訊共存的環境中表現一致性的可靠度,該系統也配備業界領先的通訊協議以保障傳輸安全。

新型無線電池管理系統是透過OTA空中下載升級,適用於所有GM的電動車款;而因為沒有纜線,能靈活運用於不同車款、不必重新設計,這可望縮短開發時間、讓GM第一款採用該技術的電動車更快上市。

GM的目標是在2023年推出至少20款採用wBMS技術的電動車,橫跨集團旗下所有品牌的各種車型。而除了電動車,wBMS也能支援所有配備大型電池組的應用,例如為一般家庭或其他設施供電的系統。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Wireless Battery Management System for Electric Vehicles,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

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