先進電氣化技術加速實現交通永續

作者：ADI汽車電氣化及永續能源部副總裁Patrick Morgan

引言

電動出行和永續能源生態系統如何為電動車(EV)車主創造和提供更大的價值？ADI的電氣化解決方案產品系列 ADI Recharge^™提供了新的定義。ADI Recharge改善了電動車操作，並提高電池的全壽命價值，最終有助於降低電動車的整體擁有成本。ADI正攜手OEM、一級供應商、電池製造商、電力公司和其他利益相關方利用電動車電池資料建構一個前所未有的資訊生態系統。

電動車正崛起

前瞻性的政府政策、技術進步和汽車產業對永續發展的承諾相結合，形成了加速大眾市場採用電動車的強大力量。然而，許多人仍然負擔不起電動車，還有許多人仍然不清楚電動車的價值。政府經濟政策可以在一定程度上支援電動車議程，但覆蓋交通運輸和能源網路的電氣化技術正在發生顛覆性創新，商業服務必須帶頭破除採用電動車的現存障礙。

科技公司可以發揮重要作用。提高負擔能力的一個重要因素是使用更智慧、更高效的電池組和動力系統。這些系統必須安全、可靠、穩健，以保證在車輛的整個生命週期內都能保持高性能。我們需要先進的技術來生產優質的電芯，使電池組適合機器人組裝，支援零鈷化學材料（如LFP），並實現迴圈式電池生命週期，使其可以被回收或在儲能系統中再利用。

半導體和軟體引領交通永續性

ADI先進的電氣化解決方案系列ADI Recharge為汽車價值鏈（含汽車/車隊所有者、OEM和一級供應商）提供顛覆性能力。ADI Recharge包括先進的電池技術、車載充電器、電源管理和隔離技術解決方案。這些解決方案的組合將電動車電池和動力系統轉變成車輛整體能力中一個技術先進的部分。其核心是ADI電池管理系統(BMS)，其是一個完整的系統級解決方案，不僅包括硬體，還包括軟體驅動和工具，支援無線軟體更新，並獲得了高標準的汽車網路安全認證(ISO 21434 CAL-4)。ADI網路通訊協定充分支援有線和無線操作。該解決方案不僅使OEM能夠將電動車設計擴展到整個車隊，還為電芯帶來了安全的邊緣智慧，其將電池組變成軟體定義的平台，並將車輛變成安全互聯的邊緣節點。

Figure 1. A typical multicomponent wired BMS network (left) and the simpler arrangement made possible by wBMS technology (right). — 圖1. 典型的多元件有線BMS網路（左），以及由wBMS技術實現的更簡單的佈置（右）。

穩健的電池洞察平台

ADI正在協助打造一個新的生態系統，其中的價值鏈可以利用即時電池資料洞察並部署創新解決方案，讓電池的全壽命價值和電動車的運行性能得到改善，為電動車/車隊所有者帶來更好的結果。基於我們久經考驗、領先業界的高精度電芯監測感測能力，ADI解決方案利用邊緣安全智慧、嵌入式軟體和無線通訊鏈路提供即時電池資料洞察，這對於開發適用於電池完整生命週期的新系統和服務非常重要。這些能力讓車輛/車隊所有者有機會從基於價值的定價結構中獲益，也讓製造商和供應商有機會改善可變成本並降低管理費用，同時實現更快的上市時間和更高的產線效率。這些創新還有助於為電動車與潔淨能源電網實現更可靠的融合創造機會。

那麼，ADI電池洞察平台如何運作?

從資料來源開始——電芯上的智慧感測器以無線方式將資料收集到中央管理平台，後者將處理後的洞察提供給BMS引擎控制單元(ECU)。ADI提供一個生產級軟體模組，從中可以瀏覽洞察，並且平台可以透過簡單的API重新配置。
仔細觀察洞察平台的邊緣——連接到電芯的第一個也是非常重要的積體電路(IC)是ADI的第七代電芯監測感測器。基於ADI先進的測量能力，該感測器增加了新特性，可實現突破性的資料洞察。其能以卓越的精度準確分析電池充電狀態和健康狀況，此種精度在整個生命週期都有保證。此款感測器的功耗只有前代產品的1/20，節省的部分能量可用於在邊緣處理有價值的洞察。最後，僅一個IC就能感測高達100 V的電池堆或24個串聯電芯，因此，其是一種高度整合且具高能效的電池感測器。
安全射頻微控制器單元(RF MCU)——該IC的嵌入式軟體控制感測器操作並處理資料，然後送入ADI的洞察演算法。這些演算法產生洞察，支援更準確地估計充電狀態(SoC)，適用於快速充電和增程等應用。RF MCU的超穩健無線電和嵌入式網路軟體將洞察傳輸到BMS ECU。每個RF MCU都包括一個符合ISO 21434 CAL-4標準的綜合安全子系統。一個關鍵特性是每個IC都有唯一的安全身份標識，利用此標識可以創建每個電池的洞察歷史。
中央處理(BMS ECU)——ADI演算法會融合來自多個邊緣節點的已處理資料，產生電池組和車輛級洞察。

Figure 2. Sentinel wBMS system–release 2021. — 圖2. Sentinel wBMS系統 - 2021版。

整個電池壽命週期內的系統價值

OEM正迅速將其車隊電氣化。下面我們討論一些提供永續價值的重要機會。

電動車自動化製造

ADI Recharge無需線束，此增強了OEM的機器人製造能力，使OEM能夠優化產線效率、可靠性、電池組的組裝和製造成本。該系統支援所有已知的電池化學材料，包括低成本化學材料，而且其提高了電池組的模組化程度，使得電動車生產可以彈性擴展——從入門到進階都能生產。由於無線架構非常穩健，軟體和網路升級可以減少電池材料需求。相較於有線網路，無線網路可以快速輕鬆地實現，大幅縮短開發週期時間。ADI的第七代電芯監測感測器並實現了架構級的效益節省——使用單一IC能夠感測多達24個通道，進而降低耦合要求，而EMC性能卓越，無需電容等外部元件。

適用於電池組的數位孿生

軟體車輛的時代已經到來。ADI系統可為電池組提供高度準確的數位孿生服務。其目標是早在原型可用之前就展示超穩健的RF性能，進而使設計一次成功。這有助於改善電池組設計和規劃，支援在開發階段獲得明顯更高的投資報酬率。

提高車輛可靠性

採用無線方案可以去除線束，不僅節省成本，還能消除車輛中潛在的故障源。隨著時間的推移，電線和連接器可能會退化或失效。此外，該平台可在製造和車輛運行期間自主運行深度電池測試，以識別缺陷/故障的早期跡象，避免為最終客戶帶來嚴重的安全問題。

高標準網路安全認證和電池護照

生態系統圍繞電池資料建構新系統和增值服務時，透明度、安全性和易部署性非常重要。ADI將此項技術作為 turnkey 解決方案引入大規模生產中，在各個層面都顧及到安全性。ADI的wBMS通過了高標準的汽車網路安全認證(ISO 21434 CAL-4)。每個wBMS IC都包含一個安全身份標識——其是實現業界「電池護照」目標的重要組成部分。

提升電動車操作和性能

wBMS洞察平台利用ADI的第七代電芯監測感測器和邊緣演算法來實現更快的充電速度、更長的續航里程和更長的電池壽命，同時充分保證安全性。支援軟體更新的能力確保電池和動力系統性能得到持續改善。安全的無線功能還意味著可以方便地分析電池組的狀況。如果檢測到故障，無線配置可簡化拆卸和更換工作。

無縫轉換到電池梯次利用階段

電池組佔電動車零售價格的30%以上（2023年），因此整個價值鏈都有促使積極培育梯次利用市場的經濟激勵因素。wBMS可準確追蹤電池在其整個生命週期內的健康狀況，並確定電池組的轉售價值，進而確保買賣雙方能夠相互信任。這將使得電池可以作為資產來補償一些初始投資，並將其節省的價值間接轉移給車輛/車隊所有者。由於不存在線束，電池組可以更快速、更經濟地拆卸，進而順利實現電池梯次利用和回收應用。

Figure 3. Packs are easier to repair, reuse, and recycle. — 圖3. 電池包更易於維修、再利用和回收。

電動出行與潔淨能源電網的融合

電動車的激增導致對充電站的需求增加，並為電網帶來了額外的壓力，使其在時間和空間上都呈現出特有的動態變化。能量儲存和轉換與能量管理相結合，將把電動車變成一種重要且有價值的電網穩定工具。

ADI wBMS為電動車和儲能系統(ESS)提供的智慧電池軟體和無線鏈路有助於協調潔淨能源電網上的能量流，進而更高效、更順暢地管理供應與需求。透過動態充電費率可以優化充電時間安排並獲得更好的電價。

加速實現更永續的未來

展望未來，我們發現，電動車只是全球向永續發展大規模轉變的開始。充電線兩端都需要先進的技術解決方案。電池數量將會不斷激增，而且使用不同化學材料的電池會越來越多，我們需要新的洞察來實現電池的迴圈利用。實現永續的未來也意味著制定道德規範，而那些能夠避免使用衝突礦產的電池化學材料（如零鈷LFP）將在市場上繼續受到青睞。最終，藉由我們在精密管理、控制和即時訊號處理方面的創新，ADI為生態系統的每個節點邊緣都帶來智慧方案，確保電氣化交通和潔淨電網可靠融合，實現更永續的未來。