電動車輛的電池管理系統(tǒng)和使用壽命

在世界各地縱橫交錯的高速公路上，正在發(fā)生一場變革 —— 百年來使用化石燃料的汽車正轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧?、高效的電動車輛 (EV)。未來十年，EV 市場預(yù)計(jì)將增長 10 倍，而為了給數(shù)以百萬計(jì)的電動車輛提供動力，監(jiān)控、管理和維護(hù)高性能電池的需求也將日益增長。

當(dāng)今電池市場的推動力不只是成本，還有對續(xù)航里程更長的車輛、更短的充電時間以及更高功能安全的需求。為了滿足這些嚴(yán)格的電池管理系統(tǒng)要求，必須遵守最高標(biāo)準(zhǔn)并最大限度減少偏差。

由于電動車輛 40% 的價格取決于電池，因此性能和電池壽命已成為 EV 品牌取得成功的主要因素。作為電池管理系統(tǒng) (BMS) 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，ADI 公司 (ADI) 與客戶合作，尋找最佳關(guān)鍵流程來監(jiān)控和管理電動車輛電池，并確保其安全性、生產(chǎn)力和使用壽命。

概覽

■   公司

ADI 收購凌力爾特后，ADI 的產(chǎn)品系列包括 2008 年推出的首款集成式高壓電池堆棧監(jiān)控器。從那時起，我們就一直致力于提供最高性能的解決方案。如今，我們正在開發(fā)第 5 代產(chǎn)品。

■   挑戰(zhàn)

EV 市場的增長日益需要電池制造商、供應(yīng)鏈和汽車品牌提供高質(zhì)量、可靠的電池技術(shù)來滿足需求。

■   應(yīng)用

電池監(jiān)控和管理。

■   關(guān)注事項(xiàng)

原始設(shè)備制造商非常關(guān)注電池的安全性、成本、效率和使用壽命。

■   目標(biāo)

改進(jìn) BMS，以確保安全性、提高可靠性、增強(qiáng)性能并延長 EV 電池的使用壽命。

投資于更好的電池管理系統(tǒng)

BMS 能夠密切監(jiān)視、控制和分配整個電池系統(tǒng)在使用壽命期間的可靠充電和放電。精確監(jiān)控電流和電壓分布至關(guān)重要，因?yàn)殡姵剡^度充電可能會引起火災(zāi)或爆炸，而充電不足（或完全放電）則會導(dǎo)致電池失效。電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響 EV 每次充電所能行駛的里程數(shù)。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠最大限度地延長電池的整體使用壽命，從而降低擁有成本。

在這種情況下，價格水平變得不那么重要，而長期價值則成為關(guān)鍵指標(biāo)。這是因?yàn)槟η笤陔姵氐恼麄€使用壽命內(nèi)獲得更好的性能。“談到精度，以及車輛整個使用壽命內(nèi)的精度，沒有任何取舍可言，”ADI BMS 總經(jīng)理 Mike Kultgen 表示，“精度越高，就越能更好地了解電池單元的狀態(tài)，從中獲取的容量就越多，電池組的運(yùn)行也就越可靠?！笨紤]到電池組的投資，BMS 性能的價值是顯而易見的，且隨著汽車設(shè)計(jì)師考慮保修和電池組的生命周期成本，這一點(diǎn)也就更加明顯¹。

電池管理的嚴(yán)格要求

電池對設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了極高的要求，因?yàn)樗麄冃枰紤]一系列的優(yōu)先事項(xiàng)，包括價格、可靠性和安全性。在處理提供 48 伏到 800 伏電壓的 EV 系統(tǒng)時，您不能冒任何風(fēng)險。

為了在駕駛者踩下踏板的瞬間提供超過 100 千瓦的電能，電池系統(tǒng)必須在數(shù)百伏特的電壓下才能高效工作。然而，鋰電池只能提供幾伏特的電壓。為了獲得足夠的功率，需要將大量電池串聯(lián)在一起，形成一個很長的電池堆棧。通常電動車可能使用 100 個單獨(dú)的電池，在電池堆棧的頂部提供 350 伏特的電壓。但這帶來了一些挑戰(zhàn)。

在長長的電池堆棧中，如果有一個電池失效，實(shí)際上相當(dāng)于所有的電池都失效了。因此，您需要監(jiān)控和管理所有的電池 — 為電池充電、放電，且在車輛生命周期的每一天都要如此。鋰電池不能在極限充放電情況下工作，而必須保持在非常特定的范圍內(nèi)，例如 15% 到 85%，否則電池性能就會下降。

監(jiān)視和管理電源

ADI 的 BMS 可在從電池組生產(chǎn)到報(bào)廢的整個周期中提供精確的電池測量信息。電子設(shè)備直接連接到電池堆棧中的每個電池，報(bào)告與電池電流對應(yīng)的電壓和溫度。系統(tǒng)可提供充電狀態(tài)和健康狀態(tài)。每個電池的電流和溫度必須通過中央處理器的復(fù)雜算法進(jìn)行監(jiān)控。ADI 內(nèi)置了強(qiáng)大的通信接口，同時支持模塊化設(shè)計(jì)（架構(gòu)）。它是完全可擴(kuò)展的，適用于我們不同的客戶群體。

“BMS 對電池進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，能夠隨時在各種溫度和工作條件下提供可靠的測量精度。系統(tǒng)知道每時每刻的狀況，并且 100% 依賴于它從 ADI 芯片接收到的信息?！?/em>

Mike Kultgen ——ADI BMS總經(jīng)理

關(guān)鍵價值：精度、可靠性和穩(wěn)定性

與 ADI 電池管理系統(tǒng)專家密切合作的好處不僅限于可以接觸到種類多樣的組件和產(chǎn)品。他們?yōu)樵荚O(shè)備制造商提供我們的系統(tǒng)級專業(yè)知識、深厚的領(lǐng)域知識以及多年的 BMS 實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。原始設(shè)備制造商可以提高每次充電行駛里程效率、延長電池使用壽命、確保安全性并提高品牌信任。

ADI AUTG 副總裁 Patrick Morgan 表示，“客戶告訴我們，他們需要信任產(chǎn)品才使用我們的產(chǎn)品。因此，我們在他們的現(xiàn)場或我們的工廠舉辦技術(shù)峰會，并邀請我們的關(guān)鍵設(shè)計(jì)師和應(yīng)用工程師與他們的團(tuán)隊(duì)會面。我們花了一兩天的時間介紹我們的發(fā)展規(guī)劃，了解他們需要解決的問題，然后討論我們將如何解決他們的特定問題。我們通過專注于合作來建立信任?！?/p>

解決問題，尋找解決方案

“一家總部設(shè)在亞洲的客戶要求我們圍繞舊有電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的電池管理系統(tǒng)，”ADI 應(yīng)用經(jīng)理 Cuyler Latorraca 說，“我們研究了他們的設(shè)想、系統(tǒng)要求和操作環(huán)境。我們發(fā)現(xiàn)，他們的接地方案導(dǎo)致系統(tǒng)測量存在誤差，這是業(yè)界常見的問題，然后我們采取措施消除了該誤差。"

ADI 高性能 BMS 為超級跑車提供動力

Rimac C_Two高性能超級跑車具有 1,914 馬力，0-60 mph 加速時間 1.85 秒，速度可達(dá) 258 mph。這款全電動超級跑車展現(xiàn)了 Rimac 的技術(shù)實(shí)力，采用了由 6960 個鋰錳鎳電池組成的電池組，充分發(fā)揚(yáng)了真正的創(chuàng)新精神和激情

約在 10 年前，一位 21 歲的發(fā)明家在克羅地亞的一間車庫里創(chuàng)建了 Rimac Automobili，如今公司已經(jīng)發(fā)展為一家擁有 600 位員工的技術(shù)巨頭。Rimac 致力于為全球汽車公司設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造電動超級跑車和高性能電氣化系統(tǒng)。

憑借 ADI 公司的高精度BMS集成電路( IC )，Rimac 電動汽車可通過對電芯進(jìn)行高精度測量，從電池中盡可能獲取電能和電量。復(fù)雜的診斷技術(shù)使系統(tǒng)能夠監(jiān)測電池的特性、電壓和溫度，以隨時確定電量狀態(tài)。ADI 公司汽車電氣化和信息娛樂部副總裁 Patrick Morgan 表示：“高準(zhǔn)精度會直接轉(zhuǎn)為快速充電時間、最大化的電池容量和里程?！?/p>

Rimac 首席執(zhí)行官 Mate Rimac 表示：“Rimac 是高性能電動汽車領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)者。我們?yōu)槿虮姸嗥嚬鹃_發(fā)和制造關(guān)鍵的電氣化系統(tǒng)，同時我們自己的超級跑車也為電動汽車的性能樹立了更高的標(biāo)桿。我們采用的電池管理系統(tǒng)是全球要求極為嚴(yán)苛的應(yīng)用，需實(shí)現(xiàn)極高的精度、極短時間內(nèi)的電流和電壓劇烈變化以及在電池管理控制系統(tǒng)內(nèi)的快速動態(tài)調(diào)整。我們決定在整個產(chǎn)品線上采用 ADI 公司的電池管理 IC 產(chǎn)品組合。我們已經(jīng)在市場上對該類 IC 進(jìn)行了對比測試，結(jié)果證實(shí) ADI 公司的產(chǎn)品能夠在汽車的整個生命周期內(nèi)提供高精度的測量和產(chǎn)品可靠性，因此被我們選中。”

著眼于未來

“高壓電池系統(tǒng)技術(shù)日新月異，”ADI BMS 市場經(jīng)理 Greg Zimmer 說，我們在增加容量、延長使用壽命方面承受著很大的壓力。業(yè)界將如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？在打造能夠持續(xù)使用 10 年的電池的同時，我們?nèi)绾螐碾姵亟M中獲取更多電能、增加其續(xù)航里程、支持更快的充電，并開發(fā)集中式和模塊化的設(shè)計(jì)？

ADI 不僅關(guān)注客戶目前面臨的問題，更著眼于未來，關(guān)注持續(xù)改進(jìn)的過程。我們將繼續(xù)推出能夠最大限度增加每次充電續(xù)航里程、減少總重量并降低電池系統(tǒng)總成本的解決方案，以引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。我們擁有豐富的系統(tǒng)級經(jīng)驗(yàn)和龐大的組件系列（一個集成電路中有 3 至 18 節(jié)電池，支持的電池?cái)?shù)量選擇超過其他任何競爭對手），這使我們從競爭中脫穎而出。

我們還沒有達(dá)到 BMS 的頂峰

ADI 與原始設(shè)備制造商合作，通過架構(gòu)創(chuàng)新來改進(jìn)未來解決并溝通功率密度、精度和重量挑戰(zhàn)的方式。我們將繼續(xù)開展創(chuàng)新，我們的第 5 代 BMS 有望在明年投入車輛生產(chǎn)。

BMS：ADI 優(yōu)勢

ADI 在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，滿足 EV 市場對安全、高質(zhì)量、高性能電池日益增長的需求。憑借豐富的系統(tǒng)級經(jīng)驗(yàn)，以及多樣化的組件產(chǎn)品，我們提供的合作伙伴關(guān)系將令客戶受益匪淺。

●   行業(yè)領(lǐng)先的卓越精度和穩(wěn)定性

●   通過單一組件和簡化設(shè)計(jì)全面支持      ASIL D

●   高速、EMI 可靠、電氣隔離、具有冗余的低成本菊花鏈，可應(yīng)對故障情況

●   產(chǎn)品安裝基礎(chǔ)雄厚，有四代產(chǎn)品已投入現(xiàn)場使用

●   通過一系列 BMS 產(chǎn)品提供系統(tǒng)級解決方案

●   對工業(yè)、環(huán)境和全球健康的影響

普通消費(fèi)者中普遍存在一個誤解就是：電動汽車性能不高，比不上燃油汽車的性能。ADI 和 RIMAC 一起澄清了這一誤解，并開始幫助重新確定高性能電動汽車能夠達(dá)到的目標(biāo)。RIMAC C_Two 高性能超級跑車憑借 ADI 的高性能 BMS，擁有驚人的 1914 馬力，0-60 mph 的加速時間 1.85 秒，速度可達(dá)為 258 mph。

ADI 和 RIMAC 不僅為高性能技術(shù)社區(qū)樹立了榜樣，還幫助激發(fā)消費(fèi)者的熱情，提高了高性能電動汽車和整體電動汽車的用戶采用率。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，空氣污染是一個無聲殺手，每年造成 420 萬人死亡，還將人類壽命縮短了 1.8 年。通過與 RIMAC 和其他電動汽車供應(yīng)商合作，ADI 公司正掃除阻礙，而且還通過減少碳排放，打造一個更清潔、更能持續(xù)發(fā)展的環(huán)境。

ADI 一直致力于創(chuàng)造更環(huán)保的環(huán)境和改善全球人民健康。2019 年，ADI 公司的 BMS 產(chǎn)品避免了 6000 萬噸二氧化碳進(jìn)入大氣，并繼續(xù)將二氧化碳車輛排放量逐年減少 30%。6000 萬噸二氧化碳相當(dāng)于大約 7000 萬公頃的成熟林。

1在生產(chǎn)大量電池組的同時，也會產(chǎn)生大量可供回收利用的廢舊電池組。只要電池在整個生命周期中管理得當(dāng)，則耗損并不意味著報(bào)廢。在考慮總擁有成本時，必須將儲能裝置再用于車輛以外的其他用途（也稱為第二生命）考慮在內(nèi)。