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电动车辆的电池管理系统和生命周期管理

来源:荣格-《国际汽车设计与制造》 发布时间:2021-09-02 853
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为了给数百万电动车辆提供动力、监控、管理和维护,对高性能电池的需求也将日益增长。

在世界各地纵横交错的高速公路上,正在发生一场变革——百年来使用化石燃料的汽车正转变为清洁、高效的电动车辆(EV)。未来十年,全球EV 市场预计将比当前增长10倍。为了给数百万电动车辆提供动力、监控、管理和维护,对高性能电池的需求也将日益增长。


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当今电池市场的推动力不只是成本,还有车辆对更长的续航里程、更短的充电时间以及更高功能安全的需求。为了满足这些严格的电池管理系统要求,必须遵守最高标准并最大限度减少偏差。由于电动车辆40%的价格取决于电池,因此性能和电池寿命已成为电动汽车品牌取得成功的主要因素。

着眼于电池整体使用寿命


电池管理系统(BMS)能够密切监视、控制和分配整个电池系统在使用寿命期间的可靠充电和放电。精确监控电流和电压分布至关重要,因为电池过度充电可能会引起火灾或爆炸,而充电不足(或完全放电)则会导致电池失效。BMS的质量直接影响电动汽车每次充电所能行驶的里程数。优质的电池管理系统能够最大限度地延长电池的整体使用寿命,从而降低拥有成本。


在这种情况下,价格水平变得不那么重要,而长期价值则成为关键指标,因为汽车制造商力求在电池的整个使用寿命内获得更好的性能。“谈到精度,以及车辆整个使用寿命内的精度,没有任何取舍可言。”ADI公司BMS总经理Mike Kultgen表示,“精度越高,就越能更好地了解电池单元的状态,从中获取的容量就越多,电池组的运行也就越可靠。”


考虑到电池组的投资,BMS性能的价值是显而易见的。随着汽车设计师考虑保修和电池组的生命周期成本,这一点也就更加明显:在生产大量电池组的同时,也会产生大量可供回收利用的废旧电池组。只要电池在整个生命周期中管理得当,则耗损并不意味着报废。在考虑总拥有成本时,必须将储能装置再用于车辆以外的其他用途(也称为电池的第二生命)考虑在内。

电池管理的严格要求


电池对设计团队提出了极高的要求,因为他们需要考虑一系列的优先事项,包括价格、可靠性和安全性。在提供48伏到800伏电压的动力汽车电池系统时,企业不能冒任何风险。


为了在驾驶者踩下踏板的瞬间提供超过100千瓦的电能,电池系统必须在数百伏特的电压下才能高效工作。然而,锂电池只能提供几伏特的电压。因此,为了获得足够的功率就需要将大量电池串联在一起,形成一个很长的电池堆栈。通常电动车可能使用100个单独的电池,在电池堆栈的顶部提供350伏的电压。


但这带来了一些挑战,在长长的电池堆栈中,如果有一个电池失效,那么所有的电池都将失效。此外,锂电池不能在极限充放电情况下工作,而必须保持在非常特定的范围内,例如15%到85%,否则电池性能就会下降。因此,用户需要监控和管理所有电池——为电池充电、放电,且在车辆生命周期内的每一天都要如此。

精确的电池测量信息


ADI的BMS可以从电池组生产到报废的整个周期中提供精确的电池测量信息。电子设备直接连接到电池堆栈中的每块电池,报告与电池电流对应的电压和温度。系统可提供充电状态和健康状态,通过中央处理器的复杂算法对每块电池的电流和温度进行监控。ADI公司在BMS内置了强大的通信接口,同时支持模块化设计(架构),它是完全可扩展的。


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“BMS对电池进行持续监控,能够随时在各种温度和工作条件下提供可靠的测量精度。系统知道每时每刻的状况,并且100%依赖于从ADI芯片接收到的信息。”Mike Kultgen说道。ADI公司为原始设备制造商提供系统级专业知识、深厚的领域知识以及多年的BMS实际设计经验。原始设备制造商可以提高每次充电行驶里程效率、延长电池使用寿命、确保安全性并提高品牌信任。


“一家总部设在亚洲的客户要求我们围绕旧有BMS设计新的系统,”ADI应用经理Cuyler Latorraca说,“我们研究了他们的设想、系统要求和操作环境,发现客户的接地方案导致系统测量存在误差。这是业界常见的问题,然后采取措施消除了该误差。”


高性能BMS助力电动超跑


约在10年前,一位21岁的发明家在克罗地亚的一间车库里创建了Rimac Automobili公司,如今公司已经发展为一家拥有600位员工的技术巨头。Rimac致力于为全球汽车公司设计、开发和制造电动超级跑车和高性能电气化系统。


凭借ADI公司的高精度BMS集成电路(IC),Rimac电动汽车可通过对电芯进行高精度测量,从电池中尽可能获取电能和电量。复杂的诊断技术使系统能够监测电池的特性、电压和温度,以随时确定电量状态。Patrick Morgan表示:“高准精度会直接转为快速充电时间、最大化的电池容量和里程。”


Rimac首席执行官Mate Rimac表示:“Rimac 是高性能电动汽车领域的技术强者。我们为全球众多汽车公司开发和制造关键的电气化系统,同时我们自己的超级跑车也为电动汽车的性能树立了更高的标杆。我们采用的电池管理系统是全球要求极为严苛的应用,需实现极高的精度、极短时间内的电流和电压剧烈变化以及在电池管理控制系统内的快速动态调整。我们决定在整个产品线上采用ADI公司的电池管理IC产品组合。我们已经在市场上对该类IC进行了对比测试,结果证实ADI公司的产品能够在汽车的整个生命周期内提供高精度的测量和产品可靠性。”


普通消费者中普遍存在一个误解就是:电动汽车性能不高,比不上燃油汽车的性能。ADI和 RIMAC一起澄清了这一误解,并开始帮助重新确定高性能电动汽车能够达到的目标。RIMAC C_Two高性能超级跑车凭借ADI的高性能 BMS,拥有惊人的1914马力,0-60mph的加速时间1.85秒,速度可达为258 mph。
ADI和RIMAC不仅为高性能技术社区树立了榜样,还帮助激发消费者的热情,提高了高性能电动汽车和整体电动汽车的用户采用率。根据世界卫生组织的统计,空气污染是一个无声杀手,每年造成420万人死亡,还将人类寿命缩短了1.8年。通过与RIMAC和其他电动汽车供应商合作,ADI公司正扫除阻碍,而且还通过减少碳排放,打造一个更清洁、更能持续发展的环境。

结语


“高压电池系统技术日新月异。”ADI BMS市场经理Greg Zimmer说。我们在增加容量、延长使用寿命方面承受着很大的压力。业界将如何实现这一目标?在打造能够持续使用10年电池的同时,我们如何从电池组中获取更多电能、增加其续航里程、支持更快的充电,并开发集中式和模块化的设计? 据悉,ADI的第5代 BMS有望在2022年投入车辆生产。


来源:荣格-《国际汽车设计与制造》


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