無線電池管理系統技術:電動車廠的新競爭優勢

作者:ADI 業務發展總監 Norbert Bieler及 智慧移動系統技術專家 Paul Hartanto


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1,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、以及在車輛使用壽期的成本影響,同時延長電池能夠支援的行駛距離,這些因素將對其市佔率與競爭力產生巨大的影響。隨著越來越多舊電動車的壽期走向結束,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; 反觀電池另一個完全不同的部分- 電池管理系統(BMS),負責監視電池的電量狀態(SOC)與健康狀態(SOH) – 卻一直都被大家忽視。然而事實上,新開發的無線電池管理系統(wBMS)技術 – 由Analog Devices所研發並由通用汽車率先用在旗下的Ultium模組化電池 – 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壽期,甚至還延伸到車輛報廢後電池回收再利用。

通用推出Hummer EV電動悍馬車款2,成為首批配備wBMS的車種,Analog Devices並開始推動一系列生產計畫,展現我們無線技術如何促成電動車電池在設計、生產、維修、以及汰換處理方面的轉型。

電池線路連結在成本、空間、重量、以及設計方面的問題

促成Analog Devices著手研發wBMS技術背後的緣由,是分析傳統電動車電池組在通訊線路方面的種種缺點。這方面的分析充分發揮公司的專長:除了供應市面上最精準的傳統BMS,另外在無線通訊領域更是5G無線電技術的領導者。此外Analog Devices並針對各種工業環境研發全球最強固的網狀連網技術。

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負責管制運作與確保為提供電力。

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,其變異會落在允許公差範圍內。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。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(如圖1所示)。傳統上這些連結都是透過實體線路執行:有線線路的優點是各界都相當熟悉與瞭解。

Figure 1. A typical complex, multicomponent wired BMS network (left), and the simpler arrangement made possible by Analog Devices’ wBMS technology (right).

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

然而我們也能輕易列出長串的缺點清單:銅質纜線沉重又佔空間,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。這些缺點導致行駛距離縮減。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即困難又昂貴: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。

Analog Devices模組化與可擴充wBMS系統平台的優勢讓OEM廠商能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械人進行組裝。藉由消弭人工,OEM廠商還能消除生產線人員的安全風險(如圖2所示)。

Figure 2. wBMS technology eliminates the signal wiring harness to enable automated, robotic production of complete battery packs.

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

在通用車廠實作的wBMS技術方面,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,但模組先前已經佈署在通用旗下眾多車款,包括重型車款和多地形越野車,以及性能、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我們Ultium電池強調的主軸 – 而無線管理系統更是促成如此驚人彈性的關鍵因素。3

許多緣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。Analog Devices的wBMS技術所具備的優點非常廣泛,多到車商前門展場上擺放新車款都容納不下的地步。

  • 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。無線設定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—未來電動車電池的壽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美國讀出關鍵電池資料:這意謂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劃出最佳的使用模式,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。

獲取電池資料的完整無線系統

wBMS技術匯集Analog Devices在兩個經營長久領域累積的成果:包括擁有市場領導地位的感測與量測,以及射頻通訊。wBMS技術屬於完整解決方案,讓車廠可輕易整合到電池組的設計。它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。

強靭通訊架構

Analog Devices在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WiFi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。

Analog Devices亦透過wBMS支援各家車廠的ISO 26262功能安全標準認證計畫。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。

電池價值的壽期管理

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,都由Analog Devices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Analog Devices的電池生命週期洞悉服務(BLIS)技術全力支援。它能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回報; 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。

參考資料

1 Anmar Frangoul. “VW to Ramp Up Battery Cell Production with Six ‘Gigafactories’ in Europe.” CNBC, March 2021.
2 Hummer EV Product Page. GMC, 2021.
3General Motors’ Future Electric Vehicles to Debut Industry’s First Wireless Battery Management System.” General Motors, September 2020.