電動(dòng)汽車無(wú)線電池管理革命已經(jīng)開(kāi)始，投資回報(bào)潛力巨大

從設(shè)計(jì)和制造到電池再利用和安全保護(hù)的高級(jí)成本分析，揭示了OEM有機(jī)會(huì)利用wBMS提高下一代電動(dòng)汽車的利潤(rùn)。

電動(dòng)汽車(EV)行業(yè)向無(wú)線電池管理系統(tǒng)(wBMS)的演進(jìn)在許多方面都是不可避免的。對(duì)于任何飽受有線系統(tǒng)固有的復(fù)雜性、BOM成本、空間和人力代價(jià)所困擾的人來(lái)說(shuō)，無(wú)線BMS相對(duì)于有線BMS的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，無(wú)論針對(duì)什么應(yīng)用。

相比之下，wBMS有望為下一代電動(dòng)汽車節(jié)省高達(dá)90%的布線和高達(dá)15%的電池組體積。這是通過(guò)消除通信線束和連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，取而代之的是采用全集成式電子器件的智能電池模塊——唯一暴露的連接器是+ve和–ve端子。

但是，要實(shí)現(xiàn)wBMS技術(shù)可帶來(lái)的好處，只能通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模投資以提供支持。此外，為了滿足無(wú)線系統(tǒng)特有的安全要求，必須對(duì)電池組從制造到再利用的整個(gè)生命周期的每個(gè)階段進(jìn)行自上而下的重新評(píng)估。

圖1 ADI公司推出汽車行業(yè)首個(gè)用于電動(dòng)汽車的無(wú)線電池管理系統(tǒng)

乍一看，這項(xiàng)工作的規(guī)模似乎對(duì)OEM的采用設(shè)置了無(wú)法克服的障礙。ADI公司和通用汽車公司在wBMS技術(shù)一開(kāi)始就承擔(dān)了這項(xiàng)投資，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年其進(jìn)入主流商用（也許無(wú)處不在）之后，將大幅節(jié)省成本并提高制造的可擴(kuò)展性和效率。

需要明確的是，將wBMS視為快速節(jié)省成本機(jī)會(huì)的OEM應(yīng)該立即重新設(shè)定他們的期望。為了充分發(fā)揮wBMS的成本優(yōu)勢(shì)，OEM必須首先將電池組視為資產(chǎn)，需要隨著時(shí)間推移——從車載“第一次使用”到“第二次使用”——進(jìn)行有效管理，以實(shí)現(xiàn)盡可能高的投資回報(bào)率。唯有如此，wBMS的成本節(jié)約優(yōu)勢(shì)才能清晰而充分地體現(xiàn)出來(lái)。

ADI公司接受了wBMS帶來(lái)的無(wú)數(shù)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，通過(guò)辛勤工作和投資實(shí)現(xiàn)了完整、可擴(kuò)展的wBMS解決方案，成功滿足了從概念到發(fā)布全程支持OEM的要求。在此過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了更多提升設(shè)計(jì)和成本效率的機(jī)會(huì)，這將為視wBMS為明確發(fā)展路徑的OEM鋪平道路。根據(jù)早期的OEM反饋，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，wBMS預(yù)計(jì)將更具成本效益和其他優(yōu)勢(shì)，這有利于其在電動(dòng)汽車全行業(yè)范圍內(nèi)實(shí)施。

制造效率優(yōu)勢(shì)

為了實(shí)施wBMS技術(shù)，需要重新構(gòu)想電動(dòng)汽車工廠的設(shè)計(jì)方式。但是，當(dāng)考慮所有活動(dòng)部件（有些確實(shí)是活動(dòng)的）時(shí)，從生產(chǎn)到產(chǎn)品完全無(wú)線化的優(yōu)點(diǎn)就變得非常明顯。

據(jù)觀察，幾乎全由機(jī)器人制造與完全由機(jī)器人制造之間存在很大差異。簡(jiǎn)而言之，一旦裝備高速機(jī)器人的工廠車間環(huán)境中有人的存在，就必須采取大量安全措施來(lái)保護(hù)他們，這會(huì)從本質(zhì)上降低生產(chǎn)效率，與完全端到端的自動(dòng)化不可同日而語(yǔ)。

對(duì)于wBMS生產(chǎn)，整個(gè)工廠車間可以使用無(wú)線通信，這就真正為非接觸式、全機(jī)器人EV電池組制造打開(kāi)了大門(mén)。除了在車輛方面利用wBMS的優(yōu)勢(shì)之外，OEM還無(wú)需花費(fèi)寶貴的人力去手動(dòng)為電池組接線和/或測(cè)試模塊與連接（此作業(yè)還需要持續(xù)的安全培訓(xùn)），從而進(jìn)一步降低資本支出和運(yùn)營(yíng)支出。

圖2 非接觸式、全自動(dòng)制造是電動(dòng)汽車行業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展趨勢(shì)

wBMS在這一方面為新興OEM和成熟OEM提供了同樣的機(jī)會(huì)，即繞過(guò)傳統(tǒng)的有線生產(chǎn)，轉(zhuǎn)而采用完全無(wú)線、完全機(jī)器人的制造方式。這使他們能夠提高制造效率和靈活性，充分利用有限的預(yù)算，保持敏捷，以與財(cái)力雄厚的老牌玩家競(jìng)爭(zhēng)。由于無(wú)需專門(mén)用于完成時(shí)間和成本密集型任務(wù)的機(jī)器人來(lái)操作有線電池組線束，所以各種規(guī)模的OEM都能實(shí)現(xiàn)高速、高效率機(jī)器人生產(chǎn)的全部好處。ADI公司開(kāi)發(fā)了wBMS，以便在生產(chǎn)的每一步都能支持自動(dòng)化，使OEM更容易過(guò)渡到支持wBMS的工廠。

增強(qiáng)整個(gè)生命周期中的可擴(kuò)展性和靈活性

采用wBMS的OEM和電池供應(yīng)商可以自由地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)所需要的任何電池組變體，而無(wú)需設(shè)計(jì)線束。針對(duì)不同型號(hào)車輛，他們可以采用軟件可配置的通用wBMS平臺(tái)，總體開(kāi)發(fā)成本更低。這仍然是wBMS價(jià)值主張的核心：OEM獲得更大的靈活性，各種級(jí)別的電動(dòng)汽車都能擴(kuò)展到規(guī)模生產(chǎn)，以滿足不斷變化的消費(fèi)者需求。通過(guò)采用wBMS來(lái)支持其突破性的Ultium電池平臺(tái)，通用汽車公司得以將該平臺(tái)擴(kuò)展到其不同品牌和車輛細(xì)分市場(chǎng)，從作業(yè)卡車到高性能汽車。概言之，通用汽車公司依賴wBMS技術(shù)以實(shí)現(xiàn)旗下各種車型的更廣泛電氣化。

但是，為了降低電池組在其使用壽命期間的碳足跡，同時(shí)擴(kuò)大相關(guān)的收入潛力，還有很多事情可以做。這是通過(guò)“減少、修復(fù)和再利用”策略實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閣BMS可以幫助減少代價(jià)高昂的車輛召回，簡(jiǎn)化維修，并促進(jìn)電池再利用作為替代報(bào)廢和回收的首選方案。

wBMS使維護(hù)備用模塊庫(kù)存變得相當(dāng)容易，而且在車輛維修期間更換電池組也容易得多。再也不會(huì)因?yàn)橐櫤投ㄎ粠?kù)存，或在請(qǐng)求維修期間嘗試移除電池線束（而不破壞它）而造成時(shí)間損失或挫敗感。模塊在供應(yīng)鏈中移動(dòng)以及最終從庫(kù)存貨架裝到車輛時(shí)，只需簡(jiǎn)單進(jìn)行掃描，安裝的簡(jiǎn)便性是傳統(tǒng)有線BMS無(wú)法比擬的。這不僅僅影響電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)階段的服務(wù)。電池組設(shè)計(jì)師不再需要花費(fèi)寶貴的時(shí)間和空間來(lái)考慮線束的拆卸和更換，從而可以加快設(shè)計(jì)并提供更高能量密度的電池組。

wBMS還支持電池測(cè)量和報(bào)告自身的性能，增強(qiáng)早期故障檢測(cè)，幫助避免代價(jià)高昂的車輛召回，同時(shí)優(yōu)化電池組裝配。在整個(gè)電池生命周期中均可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從組裝到倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸，再到安裝和維護(hù)。

對(duì)于希望最大限度地延長(zhǎng)電池組的使用壽命和提高收入潛力的OEM而言，wBMS使二次電池的再利用效率更高。由于沒(méi)有線束，電池組更容易維修和重復(fù)使用，可確保使用壽命盡可能長(zhǎng)，整體碳足跡更環(huán)保。一旦電池達(dá)到一定的健康狀態(tài)，OEM就可以很容易地將用過(guò)的電池轉(zhuǎn)售用于太陽(yáng)能或風(fēng)能存儲(chǔ)等應(yīng)用。

ADI公司估計(jì)，采用這種“減少、修復(fù)和再利用”策略的OEM，如果修復(fù)而不是當(dāng)垃圾處理電池組，每個(gè)電池組將能減少7噸的碳排放。在成本節(jié)約方面，OEM通常指定大約1000美元用于回收每臺(tái)電動(dòng)汽車的電池組，這可能超過(guò)了OEM在原車銷售中獲得的利潤(rùn)，因此對(duì)于OEM來(lái)說(shuō)，探索如何盡快轉(zhuǎn)售其用過(guò)的電動(dòng)汽車電池以獲取最大收益，具有很好的商業(yè)意義。

圖3 電池組更易于維修、再利用和回收

器件安全性和設(shè)計(jì)成功

隨著電動(dòng)汽車電池組的壽命周期進(jìn)一步延長(zhǎng)，在從制造到服務(wù)再到退役的過(guò)程中，每個(gè)wBMS模塊都要維持嚴(yán)格安全協(xié)議的必要性越來(lái)越大。OEM必須始終保持電池模塊的完整性，如果無(wú)法獨(dú)立驗(yàn)證其安全狀態(tài)，模塊二次使用的價(jià)值就有被否定的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于車輛的可維修性，這也具有重要意義。wBMS模塊可以設(shè)計(jì)成能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行驗(yàn)證，電池組可以設(shè)計(jì)成自動(dòng)拒絕不符合要求的“壞”模塊。這還能更輕松地確保只有正品備件才能進(jìn)入電池組，并在有保證的情況下由經(jīng)批準(zhǔn)的服務(wù)代理商安裝。

同樣，對(duì)于試圖發(fā)掘wBMS全部?jī)?yōu)勢(shì)的OEM而言，實(shí)施這些措施可能成本過(guò)高和/或被視為一個(gè)主要障礙。為覆蓋電池或模塊整個(gè)生命周期的新通信平臺(tái)設(shè)計(jì)全新安全架構(gòu)的前景，對(duì)OEM來(lái)說(shuō)很難接受。

ADI公司在wBMS和安全模塊追溯功能方面的重大持續(xù)投資，減輕了OEM的負(fù)擔(dān)，使其無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間和成本以在供應(yīng)鏈中實(shí)施安全定位，以及（或者）管理無(wú)法從公鑰證書(shū)方案的便利性中受益的系統(tǒng)。如果已經(jīng)為OEM提前完成這些艱巨的工作，他們就不需要聘請(qǐng)一支敬業(yè)（且昂貴?。┑捻敿?jí)網(wǎng)絡(luò)安全專家團(tuán)隊(duì)。ADI公司可以幫助OEM以非常低的資本開(kāi)支從一開(kāi)始就滿足這些嚴(yán)格的安全要求。

需要一種全面的設(shè)計(jì)戰(zhàn)略來(lái)幫助OEM最大限度地發(fā)揮其在wBMS技術(shù)上的投資的全部?jī)r(jià)值，而不必?fù)?dān)心任何一個(gè)失誤都可能破壞預(yù)期的整體成本節(jié)約。早在CAD繪圖階段開(kāi)始之前，ADI公司先進(jìn)的電池組仿真技術(shù)便可通過(guò)對(duì)電池組的仿真“數(shù)字孿生”進(jìn)行全面評(píng)估來(lái)預(yù)測(cè)wBMS系統(tǒng)性能，從而有力地幫助OEM實(shí)現(xiàn)首次設(shè)計(jì)即成功。

這將有助于為OEM針對(duì)wBMS開(kāi)發(fā)的電池組建立舒適的設(shè)計(jì)裕量，同時(shí)也有助于確認(rèn)wBMS與組件的周邊生態(tài)系統(tǒng)的互操作性。這是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵點(diǎn)：從開(kāi)發(fā)角度看，wBMS必須設(shè)計(jì)得非常健壯才能真正降低成本。

勉強(qiáng)“足夠好”的wBMS設(shè)計(jì)可能會(huì)在這里或那里節(jié)省一些系統(tǒng)成本，但隨著后期設(shè)計(jì)階段開(kāi)始出現(xiàn)系統(tǒng)缺陷，這些前期節(jié)省可能會(huì)被相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本完全抵消。架構(gòu)良好、靈活的wBMS設(shè)計(jì)可以避免因?yàn)獒槍?duì)個(gè)別車型調(diào)整個(gè)別電池組而導(dǎo)致的成本超支和挫折，從而為OEM的電池組平臺(tái)提供更大的整體可擴(kuò)展性。

wBMS的美好未來(lái)

據(jù)OEM反饋，相對(duì)于傳統(tǒng)有線BMS，成熟wBMS技術(shù)可以簡(jiǎn)化制造流程并降低資本/運(yùn)營(yíng)支出，從而為每輛乘用電動(dòng)汽車帶來(lái)高達(dá)250美元的成本節(jié)省?？紤]到隨之而來(lái)的車輛/電池服務(wù)和庫(kù)存監(jiān)控效率，以及電池組回收和再利用所帶來(lái)的增加整體利潤(rùn)的機(jī)會(huì)，不難設(shè)想下一代電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的wBMS技術(shù)會(huì)有一個(gè)有利可圖且可持續(xù)的未來(lái)。

通用汽車公司是眾多OEM中第一家擁抱wBMS的公司，令人驚訝的是，在所有車型中，他們選擇用來(lái)首次展示wBMS優(yōu)勢(shì)的竟然是一款超大型SUV——人們對(duì)這種車型的最大印象可能是其對(duì)環(huán)境影響非常大。如果GMC Hummer能夠轉(zhuǎn)變成為全電動(dòng)綠色交通的典范，那么電動(dòng)汽車成為主流的最后障礙肯定會(huì)在我們眼前崩塌，而wBMS技術(shù)將在這一轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖4 世界上首個(gè)wBMS生產(chǎn)系統(tǒng)的架構(gòu)。電池組監(jiān)控硬件和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、安全及安保軟件由ADI公司提供

關(guān)于作者

Shane O'Mahony是ADI公司wBMS產(chǎn)品營(yíng)銷主管。在領(lǐng)導(dǎo)wBMS產(chǎn)品營(yíng)銷之前，Shane曾擔(dān)任高性能射頻無(wú)線電系統(tǒng)的芯片負(fù)責(zé)人12年。Shane的職責(zé)是與OEM和一級(jí)供應(yīng)商合作，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線電池管理的系統(tǒng)級(jí)和可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。