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優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，提升電動汽車應(yīng)用前景

2022-01-10 20:45:42·  來源：中國工程院院刊《Engineering》  作者：Peter Weiss  
　
當(dāng)前，電動汽車市場加速發(fā)展，全球汽車制造商普遍重視電動汽車領(lǐng)域的未來發(fā)展。全球大部分領(lǐng)先汽車制造商，如大眾、通用、本田、戴姆勒、福特、沃爾沃和東風(fēng)日產(chǎn)
當(dāng)前，電動汽車市場加速發(fā)展，全球汽車制造商普遍重視電動汽車領(lǐng)域的未來發(fā)展。全球大部分領(lǐng)先汽車制造商，如大眾、通用、本田、戴姆勒、福特、沃爾沃和東風(fēng)日產(chǎn)，宣布以后只生產(chǎn)電動汽車或大幅增加電動汽車產(chǎn)量。在電動汽車電池發(fā)展不斷取得新的突破性成果的基礎(chǔ)上，其他極具發(fā)展前景的研究成果，如電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化，有望為電動汽車的發(fā)展注入新的活力。
中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期刊發(fā)《優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，提升電動汽車應(yīng)用前景》，報道了一種在電動汽車安全和性能方面較常見的組件，即電池管理系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀及在推動電動汽車應(yīng)用前景方面的巨大潛力。文章指出，雖然電池管理系統(tǒng)不是電動汽車電池本身的組件，但這個微處理器模塊及其相關(guān)電路卻監(jiān)控著電池的電壓、電流和溫度，并通過控制信號來調(diào)整這些參數(shù)的水平，以幫助維持汽車的最佳性能，同時確保電池在安全且電量充足以及在參數(shù)范圍內(nèi)正常運行。
原文：Better Battery Management Boosts Electric Vehicle Prospects[J].Engineering,2021,7(8):1041-1043.
全球汽車制造商在電動汽車上押下重注。隨著世界各國明確要求大幅削減汽油動力交通工具，全球大部分領(lǐng)先汽車制造商，如大眾、通用、本田、戴姆勒、福特、沃爾沃和東風(fēng)日產(chǎn)，宣布以后只生產(chǎn)電動汽車或大幅增加電動汽車產(chǎn)量。隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量在全球范圍內(nèi)快速增長和充電基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化，以及技術(shù)的進(jìn)步、優(yōu)惠政策的出臺、電動汽車價格的下降，電動汽車的發(fā)展正接近一個關(guān)鍵閾值。突破這個閾值后，其便捷性（隨時隨地充電的方便程度）、續(xù)航里程（在電池充滿電的情況下）、壽命（主要與電池組壽命有關(guān)）以及性能均將有望超過價格相當(dāng)?shù)膬?nèi)燃機動力汽車的同等指標(biāo)。
雖然電動汽車電池發(fā)展的新的突破性成果吸引了大多數(shù)人的注意力，但其他那些不起眼卻極具發(fā)展前景的研究成果也有望為電動汽車的發(fā)展立下大功。2020年9 月，總部位于底特律、占美國國內(nèi)市場份額最大的美國汽車制造商——通用汽車，就以一個汽車組件吸引了人們的注意力。這是一種在電動汽車安全和性能方面較常見的組件，其名字叫做電池管理系統(tǒng)（BMS）。雖然電池管理系統(tǒng)不是電動汽車電池本身的組件，但這個微處理器模塊及其相關(guān)電路卻監(jiān)控著電池的電壓、電流和溫度，并通過控制信號來調(diào)整這些參數(shù)的水平，以幫助維持汽車的最佳性能，同時確保電池在安全且電量充足以及在參數(shù)范圍內(nèi)正常運行。
通用汽車計劃斥資270 億美元，向電動汽車轉(zhuǎn)型，到2035 年，用電動汽車取代其所有輕型內(nèi)燃機動力車型。作為該計劃實施的一部分，這家汽車巨頭及其BMS合作伙伴，即美國馬薩諸塞州威爾明頓市的一家大型電子元件公司——美國模擬器件公司（ADI）推出了一個全新系統(tǒng)，用于生產(chǎn)汽車的無線BMS（wBMS），該系統(tǒng)去掉了近90%的常用布線。通用汽車稱，這個強化后的BMS將提高電動汽車電池組的能量密度（影響電動汽車行駛里程的一個重要因素），改進(jìn)電動汽車的設(shè)計及生產(chǎn)，并降低成本。
與此同時，其他電動汽車BMS創(chuàng)新者正在研發(fā)“基于模型的”BMS（mbBMS），其中最精密的一種可以近乎實時模擬汽車電池的詳細(xì)物理和化學(xué)狀態(tài)，但仍處于實驗階段。在指導(dǎo)響應(yīng)傳感器信號方面，普通電動汽車的BMS會參考工廠安裝（并定期升級）的內(nèi)部經(jīng)驗數(shù)據(jù)表，或用一個簡單模型模擬電池，如包含幾個電子元件的電路。然而高端mbBMS，通過更復(fù)雜但更迅速和精確的模擬，還可以持續(xù)預(yù)測無法直接測量的內(nèi)部電池狀態(tài)，如電極內(nèi)的電荷水平或可能過高過低的內(nèi)部電壓。通過直接感知電壓和其他電池信號，接受近乎實時提供的模型指導(dǎo)，mbBMS比標(biāo)準(zhǔn)BMS（有線或無線）能更精確地調(diào)整電池運行狀態(tài)，對實時環(huán)境做出快速響應(yīng)。
開發(fā)者對mbBMS進(jìn)行的實驗室測試結(jié)果顯示，這項技術(shù)能大幅提高電動汽車的駕駛性能、續(xù)航里程、電池壽命以及充電能力，同時最大限度地防止汽車電源過早老化或其他損傷。如果電池領(lǐng)域的下一個重大突破還需要一段時間，僅mbBMS就有可能讓很多人選擇電動汽車，放棄化石燃料動力汽車。
必須小心監(jiān)控管理電動汽車電池組，否則其內(nèi)部的鋰離子技術(shù)裝置可能會有過熱危險或其他故障。通用汽車工程師兼無線電池電子技術(shù)負(fù)責(zé)人Fiona Meyer-Teruel表示：“幾乎所有電動汽車都有一套某種類型的管理系統(tǒng)。你需要先了解汽車電池的狀態(tài)才能安全駕駛?！痹S多其他可充電的電子設(shè)備，包括手機和其他便攜式電子設(shè)備，也采用BMS來監(jiān)控和顯示電池充電情況。然而，電動汽車高壓電池組的價格平均占汽車購買價款的五分之一以上，其中可能有數(shù)百至數(shù)千個電化學(xué)電池。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)工程教授兼mbBMS專家Venkat Subramanian表示：“汽車的風(fēng)險比手機要高得多?！?/span>
標(biāo)準(zhǔn)的電動汽車BMS通常是通過一個電線網(wǎng)絡(luò)與汽車電池組的每個部分緊密相連（圖1）。通過去掉電線，通用汽車的新wBMS釋放出的空間可至多再增加15%的電化學(xué)電池組。在高度富余的空間內(nèi)增加電池數(shù)量可提高汽車電源的能量密度，從而提高汽車?yán)m(xù)航里程。Meyer-Teruel 表示，換用wBMS也是一個辦法，可直接幫助通用汽車即將推出的新電動汽車在與內(nèi)燃機動力汽車的競爭中取得一席之地。續(xù)航里程增加后，消費者就不會擔(dān)心電動汽車能否開到目的地了，這個問題曾是阻礙電動汽車銷售的重要因素。


圖1 2020 年2 月，通用汽車電池電學(xué)實驗室中表面整潔的高壓電動汽車電池組蓋板下，多個電池模塊包裹著緊密封裝的電化學(xué)電池。這些模塊之間可進(jìn)行無線通信，還可以與由通用汽車和電子元件制造商ADI共同開發(fā)的微處理器的電池監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。資料來源：Jeffrey Sauger/GM (public domain)
Meyer-Teruel 表示，通用汽車宣布計劃在未來5 年內(nèi)推出30 款新電動汽車，其中wBMS的應(yīng)用為其設(shè)計和生產(chǎn)帶來了一定優(yōu)勢，雖然這個優(yōu)勢不太明顯。通用汽車要快速批量生產(chǎn)一系列以前從未生產(chǎn)過的轎車、輕型卡車和運動型多用途汽車（SUV）車型，挑戰(zhàn)巨大。為此，通用汽車計劃采用其所謂的“Ultium Drive”的各種驅(qū)動模式來制造上述車型。“Ultium Drive”由5 個電動驅(qū)動單元（從前輪、全輪到特殊類型）組成，包括電動汽車發(fā)動機、單速變速器和動力電子設(shè)備。驅(qū)動單元可包含三種強大電機中的兩種，一些汽車將配備不止一個驅(qū)動單元。制造商將為裝配線上的每一款新車型選擇不同數(shù)量和配置的驅(qū)動組件，并將其安裝在預(yù)制的四輪電池“Ultium Platform”（即底盤）上，然后將組件封裝在與車型相適應(yīng)的車身中。
但是不同型號的電池組，在尺寸、形狀和電化學(xué)電池的數(shù)量上也有很大的不同。為給通用汽車即將推出的電動汽車提供動力，通用汽車與韓國LG化學(xué)有限公司共同開發(fā)了一種新的鋰離子電化學(xué)電池類型，即Ultium，其中含有一種新的化學(xué)成分。一家耗資23 億美元用于大規(guī)模生產(chǎn)電池的工廠正在美國俄亥俄州洛茲鎮(zhèn)附近建設(shè)；2021年4 月，美國政府宣布了以同樣的資金在田納西州建造第二家工廠的計劃。雖然電動汽車電池中相同電池的堆疊方式是模塊化的，但Ultium 電池可以水平或垂直堆疊，使電池組模塊的形式和配置多樣化。由于采用了新的wBMS，以及不同模塊之間采用無線發(fā)射器和接收器通信，而且通過加密信號進(jìn)行管理，因此大大減少了這些模塊的硬布線，從而簡化了電池組的設(shè)計和組裝。由于這些改進(jìn)，Meyer-Teruel 表示：“wBMS 將加快我們制造和重新設(shè)計電池組的速度，縮短我們推出新款汽車的時間?！崩?，通用汽車工程師僅用了兩年時間就為功率高達(dá)746 kW（1000 馬力） 的2022 款悍馬全電動運動型多用途卡車（SUT）研發(fā)出一款通常需要5~6 年才能研發(fā)出的異常復(fù)雜、包含近600 個電池的電池組，預(yù)計該款車型將于2021年晚些時候上市（圖2）。


圖2 2022 款悍馬電動SUT將成為首款采用通用汽車新型無線BMS的電動汽車。該系統(tǒng)控制的200 kW·h 電池組的輸出電壓為400 V，可通過功率高達(dá)350 kW、輸出電壓為800 V的充電器充電。該電池組由24 個電池模塊組成，分為兩層，是第一代Ultium 電池組中功率最大的（最大功率為746 kW）。通用汽車還宣布將于2023 年秋季推出2024 款悍馬電動SUV，其峰值功率（619 kW）比2022 款悍馬電動SUT 的小約20%。資料來源：GM (public domain)
mbBMS 的研發(fā)工程師Subramanian 等人從事研究已有十多年，內(nèi)容包括：如何快速、準(zhǔn)確地模擬鋰離子電池的物理和化學(xué)過程，為電動汽車、可再生能源存儲單元和其他電池動力設(shè)備實時提供更好的電池性能。Subramanian與其學(xué)生Manan Pathak 共同創(chuàng)立了位于美國華盛頓西雅圖附近的BattGenie 公司。Pathak 現(xiàn)在是該公司的首席執(zhí)行官。Subramanian 號稱其工程團(tuán)隊為“改革者”。他們專注于簡化基于物理/化學(xué)模型的數(shù)學(xué)表示方式，并將這些簡化版本轉(zhuǎn)換為異?？焖俚挠嬎銠C算法和軟件。Subramanian表示，據(jù)此設(shè)計的模擬方案在幾十毫秒內(nèi)就能產(chǎn)生顯著的效果，快到可以跟上汽車運行和充電的速度。例如，在過去幾年中，他們將一種被稱為鋰離子電池準(zhǔn)二維模型成功應(yīng)用于mbBMS。此前人們認(rèn)為該模型過于復(fù)雜，無法在有效的mbBMS中應(yīng)用。
Subramanian 表示，2012 年他在美國密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)任教時所做的mbBMS工作受到了關(guān)注。美國能源部向他和他在美國科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室（NREL）的同事?lián)芸?00 萬美元，用于演示mbBMS 控制對鋰離子電化學(xué)電池性能的幾項改進(jìn)效果。其中包括在不縮短電池壽命的前提下快速充電，因為電池壽命縮短是件很惱人的事。自此，他們以及世界各地大學(xué)和政府實驗室的實驗人員報道了實驗結(jié)果，用客觀方法表明了以模型為依據(jù)的方法的廣泛應(yīng)用潛力，以顯著提高電動汽車電池的性能。例如，得克薩斯大學(xué)團(tuán)隊和BattGenie 已證明，基于模型的管理可以將電池壽命延長100%~150%（圖3），將充電次數(shù)減少50%。


圖3 實驗室研究結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)充電模式（2CC-CV；紅線）相比，在mbBMS控制下（綠線），16 A·h 鎳錳鈷袋式鋰離子電化學(xué)電池的平均壽命增加了100%以上（> 1800 次充電/放電循環(huán)）。實驗人員稱，這一發(fā)現(xiàn)“首次通過實驗證明了……基于實時物理的模型預(yù)測控制（MPC）對電池性能的顯著改善效果”。電動汽車不能再繼續(xù)使用容量低于80%的電池了。SOH：健康狀況；CC-CV：恒流恒壓；5C：16 A·h 電池的放電速率，放80 A電需要12 min 以上。資料來源：Institute of Physics，經(jīng)許可
Pathak表示，BattGenie已經(jīng)為幾家電動汽車制造商在電池和模塊化層面做了mbBMS技術(shù)演示，該公司下一步的目標(biāo)是進(jìn)行全電池組模擬，并在2022 年年底前將其首個mbBMS 用于量產(chǎn)電動汽車上。Subramanian 表示，基于NREL 項目的早期研究，BattGenie 還通過精選的電化學(xué)電池向客戶展示了mbBMS控制也可以在不影響電池性能的前提下，將電池占用空間和重量減少20%。他表示：“一般來說，基于模型的控制對電池的各個方面都有好處，并非只能延長電池使用壽命及加快電池充電速度。”
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