先進(jìn)電氣化技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通

電動(dòng)汽車正在崛起

前瞻性的政府政策、技術(shù)進(jìn)步和汽車行業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的承諾相結(jié)合，形成了加速大眾市場(chǎng)采用電動(dòng)汽車的強(qiáng)大力量。然而，許多人仍然負(fù)擔(dān)不起電動(dòng)汽車，還有許多人對(duì)電動(dòng)汽車的價(jià)值仍然認(rèn)識(shí)不清。政府經(jīng)濟(jì)政策可以在一定程度上支持電動(dòng)汽車議程，但覆蓋交通運(yùn)輸和能源網(wǎng)絡(luò)的電氣化技術(shù)正在發(fā)生顛覆性創(chuàng)新，商業(yè)服務(wù)必須帶頭破除電動(dòng)汽車采用的剩余障礙。

科技公司可以發(fā)揮重要作用。提高負(fù)擔(dān)能力的一個(gè)重要因素是使用更智能、更高效的電池包和動(dòng)力系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須安全、可靠、穩(wěn)健，以保證在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)都能保持高性能。我們需要先進(jìn)的技術(shù)來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的電芯，使電池包適合機(jī)器人組裝，支持零鈷化學(xué)材料（如LFP），并實(shí)現(xiàn)循環(huán)式電池生命周期，使其可以被回收或在儲(chǔ)能系統(tǒng)中再利用。

半導(dǎo)體和軟件引領(lǐng)可持續(xù)交通之道

ADI公司先進(jìn)的電氣化解決方案系列ADI Recharge為汽車價(jià)值鏈（含汽車/車隊(duì)所有者、OEM和一級(jí)供應(yīng)商）提供顛覆性能力。ADI Recharge包括先進(jìn)的電池技術(shù)、車載充電器、電源管理和隔離技術(shù)解決方案。這些解決方案的組合將電動(dòng)汽車電池和動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成車輛整體能力中一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的部分。其核心是ADI電池管理系統(tǒng)(BMS)，它是一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案，不僅包括硬件，還包括軟件驅(qū)動(dòng)和工具，支持無線軟件更新，并獲得了高標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證(ISO 21434 CAL-4)。ADI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議充分支持有線和無線操作。該解決方案不僅使OEM能夠?qū)㈦妱?dòng)汽車設(shè)計(jì)擴(kuò)展到整個(gè)車隊(duì)，還為電芯帶來了安全的邊緣智能。它將電池包變成軟件定義的平臺(tái)，并將車輛變成安全互聯(lián)的邊緣節(jié)點(diǎn)。

圖1 典型的多組件有線BMS網(wǎng)絡(luò)（左），以及由wBMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單的布置（右）

穩(wěn)健的電池洞察平臺(tái)

ADI公司正在幫助打造一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)，其中的價(jià)值鏈可以利用實(shí)時(shí)電池?cái)?shù)據(jù)洞察并部署創(chuàng)新解決方案，讓電池的全壽命價(jià)值和電動(dòng)汽車的運(yùn)行性能得到改善，為電動(dòng)汽車/車隊(duì)所有者帶來更好的結(jié)果?；谖覀兙媒?jīng)考驗(yàn)、業(yè)界先進(jìn)的高精度電芯監(jiān)測(cè)傳感能力，ADI解決方案利用邊緣安全智能、嵌入式軟件和無線通信鏈路提供實(shí)時(shí)電池?cái)?shù)據(jù)洞察，這對(duì)于開發(fā)適用于電池完整生命周期的新系統(tǒng)和服務(wù)至關(guān)重要。這些能力讓車輛/車隊(duì)所有者有機(jī)會(huì)從基于價(jià)值的定價(jià)結(jié)構(gòu)中獲益，也讓制造商和供應(yīng)商有機(jī)會(huì)改善可變成本并降低管理費(fèi)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的上市時(shí)間和更高的產(chǎn)線效率。這些創(chuàng)新還有助于為電動(dòng)汽車與清潔能源電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更可靠的融合創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

那么，ADI電池洞察平臺(tái)從頭到尾是什么樣子的呢？？

■   從數(shù)據(jù)源開始——電芯上的智能傳感器以無線方式將數(shù)據(jù)收集到中央管理平臺(tái)，后者將處理后的洞察提供給BMS發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)。ADI公司提供一個(gè)生產(chǎn)級(jí)軟件模塊，從中可以訪問洞察，并且平臺(tái)可以通過簡(jiǎn)單的API重新配置。

■   仔細(xì)觀察洞察平臺(tái)的邊緣——連接到電芯的第一個(gè)也是至關(guān)重要的集成電路(IC)是ADI公司的第七代電芯監(jiān)測(cè)傳感器。基于ADI先進(jìn)的測(cè)量能力，該傳感器增加了新特性，可實(shí)現(xiàn)突破性的數(shù)據(jù)洞察。它能以出色的精度準(zhǔn)確分析電池充電狀態(tài)和健康狀況，這種精度在整個(gè)生命周期都有保證。這款傳感器的功耗只有前代產(chǎn)品的1/20，節(jié)省的部分能量可用于在邊緣處理有價(jià)值的洞察。最后，僅一個(gè)IC就能檢測(cè)高達(dá)100 V的電池堆或24個(gè)串聯(lián)電芯，因此，它是一種高度集成且具高能效的電池傳感器。

■   安全射頻微控制器單元(RF MCU)——該IC的嵌入式軟件控制傳感器操作并處理數(shù)據(jù)，然后饋入ADI的洞察算法。這些算法生成洞察，支持更準(zhǔn)確地估計(jì)充電狀態(tài)(SoC)，適用于快速充電和增程等應(yīng)用。RF MCU的超穩(wěn)健無線電和嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件將洞察傳輸?shù)紹MS ECU。每個(gè)RF MCU都包括一個(gè)符合ISO 21434 CAL-4標(biāo)準(zhǔn)的綜合安全子系統(tǒng)。一個(gè)關(guān)鍵特性是每個(gè)IC都有唯一的安全身份標(biāo)識(shí)，利用此標(biāo)識(shí)可以創(chuàng)建每個(gè)電池的洞察歷史。

■   中央處理(BMS ECU)——ADI算法會(huì)融合來自多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的已處理數(shù)據(jù)，產(chǎn)生電池包和車輛級(jí)洞察。

整個(gè)電池壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)價(jià)值

OEM正迅速將其車隊(duì)電氣化。下面我們討論一些促進(jìn)持續(xù)價(jià)值交付的重要機(jī)會(huì)。

電動(dòng)汽車自動(dòng)化制造

ADI Recharge無需線束。這增強(qiáng)了OEM的機(jī)器人制造能力，使OEM能夠優(yōu)化產(chǎn)線效率、可靠性、電池包組裝和制造成本。該系統(tǒng)支持所有已知的電池化學(xué)材料，包括低成本化學(xué)材料，而且它提高了電池包的模塊化程度，使得電動(dòng)汽車生產(chǎn)可以靈活地?cái)U(kuò)展——從入門級(jí)到高檔都能生產(chǎn)。由于無線架構(gòu)非常穩(wěn)健，軟件和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)可以減少電池材料需求。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)可以快速輕松地實(shí)現(xiàn)，大大縮短開發(fā)周期時(shí)間。ADI公司的第七代電芯監(jiān)測(cè)傳感器還實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)級(jí)的效益節(jié)省——使用單個(gè)IC能夠檢測(cè)多達(dá)24個(gè)通道，從而降低耦合要求，并且EMC性能出色，無需電容等外部元件。

圖2 Sentinel wBMS系統(tǒng)-2021版

適用于電池包的數(shù)字孿生

軟件車輛的時(shí)代已經(jīng)到來。ADI系統(tǒng)可為電池包提供高度準(zhǔn)確的數(shù)字孿生服務(wù)。其目標(biāo)是早在原型可用之前就展示超穩(wěn)健的RF性能，從而使設(shè)計(jì)一次成功。這有助于改進(jìn)電池包設(shè)計(jì)和規(guī)劃，支持在開發(fā)階段獲得顯著更高的投資回報(bào)。

提高車輛可靠性

采用無線方案可以去除線束，從而不僅節(jié)省成本，還能消除車輛中潛在的故障源。隨著時(shí)間的推移，電線和連接器可能會(huì)退化或失效。此外，該平臺(tái)可在制造和車輛運(yùn)行期間自主運(yùn)行深度電池測(cè)試，以識(shí)別缺陷/故障的早期跡象，避免給最終客戶帶來嚴(yán)重的安全問題。

高標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證和電池護(hù)照

生態(tài)系統(tǒng)圍繞電池?cái)?shù)據(jù)構(gòu)建新系統(tǒng)和增值服務(wù)時(shí)，透明度、安全性和易部署性至關(guān)重要。ADI公司將這項(xiàng)技術(shù)作為交鑰匙解決方案引入大規(guī)模生產(chǎn)中，在各個(gè)層面都顧及到安全性。ADI公司的wBMS通過了高標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證(ISO 21434 CAL-4)。每個(gè)wBMS IC都包含一個(gè)安全身份標(biāo)識(shí)——它是實(shí)現(xiàn)行業(yè)“電池護(hù)照”目標(biāo)的重要組成部分。

改善電動(dòng)汽車操作和性能

wBMS洞察平臺(tái)利用ADI公司的第七代電芯監(jiān)測(cè)傳感器和邊緣算法來實(shí)現(xiàn)更快的充電速度、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更長(zhǎng)的電池壽命，同時(shí)充分保證安全性。支持軟件更新的能力確保電池和動(dòng)力系統(tǒng)性能得到持續(xù)改進(jìn)。安全的無線功能還意味著可以方便地分析電池包的狀況。如果檢測(cè)到故障，無線配置可簡(jiǎn)化拆卸和更換工作。

無縫過渡到電池梯次利用階段

電池包占電動(dòng)汽車零售價(jià)格的30%以上（2023年），因此整個(gè)價(jià)值鏈都有促使積極培育梯次利用市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)因素。wBMS可準(zhǔn)確跟蹤電池在其整個(gè)生命周期內(nèi)的健康狀況，并確定電池包的轉(zhuǎn)售價(jià)值，從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(chǎn)來補(bǔ)償一些初始投資，并將其節(jié)省的價(jià)值間接轉(zhuǎn)移給車輛/車隊(duì)所有者。由于不存在線束，電池包可以更快速、更經(jīng)濟(jì)地拆卸，進(jìn)而順利實(shí)現(xiàn)電池梯次利用和回收應(yīng)用。

圖3 電池包更易于維修、再利用和回收

電動(dòng)交通與清潔能源電網(wǎng)的融合

電動(dòng)汽車的激增導(dǎo)致對(duì)充電站的需求增加，并給電網(wǎng)帶來了額外的壓力，使其在時(shí)間和空間上都呈現(xiàn)出特有的動(dòng)態(tài)變化。能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換與能量管理相結(jié)合，將把電動(dòng)汽車變成一種重要且有價(jià)值的電網(wǎng)穩(wěn)定工具。

ADI wBMS為電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)提供的智能電池軟件和無線鏈路有助于協(xié)調(diào)清潔能源電網(wǎng)上的能量流，從而更高效、更順暢地管理供應(yīng)與需求。實(shí)施動(dòng)態(tài)充電費(fèi)率可以優(yōu)化充電時(shí)間安排并獲得更好的電價(jià)。

加速實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的未來

展望未來，我們發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車只是全球向可持續(xù)發(fā)展大規(guī)模轉(zhuǎn)變的開始。充電線兩端都需要先進(jìn)的技術(shù)解決方案。電池?cái)?shù)量將會(huì)不斷激增，而且使用不同化學(xué)材料的電池會(huì)越來越多，我們需要新的洞察來實(shí)現(xiàn)電池的循環(huán)利用。實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的未來也意味著制定道德規(guī)范，而那些能夠避免使用沖突礦產(chǎn)的電池化學(xué)材料（如零鈷LFP）將在市場(chǎng)上繼續(xù)受到青睞。最終，利用我們?cè)诰芄芾?、控制和?shí)時(shí)信號(hào)處理方面的創(chuàng)新，ADI給生態(tài)系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)邊緣都帶來智能方案，確保電氣化交通和潔凈電網(wǎng)可靠融合，實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的未來。

關(guān)于作者

Patrick Morgan博士是ADI公司汽車和能源部副總裁兼總經(jīng)理，同時(shí)還擔(dān)任模擬/混合信號(hào)IC、軟件和系統(tǒng)領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人。Patrick在成功開發(fā)技術(shù)和發(fā)展汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場(chǎng)業(yè)務(wù)方面擁有超過27年的經(jīng)驗(yàn)。他之前曾在NXP?和Freescale Semiconductor?擔(dān)任副總裁和總經(jīng)理，任職期間搭建和發(fā)展了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)業(yè)務(wù)。在加入Freescale之前，他曾擔(dān)任Javelin Semiconductor（一家功率放大器初創(chuàng)公司）營(yíng)銷和銷售部副總裁，在他的帶領(lǐng)下，該公司出貨量達(dá)到了5000萬臺(tái)，最后被Avago成功收購(gòu)。2000年代初期，Patrick還曾是美國(guó)德克薩斯州奧斯丁市Silicon Labs?無線產(chǎn)品的主要負(fù)責(zé)人之一，任職期間，該品牌移動(dòng)手持設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)值從零飆升到10億美元以上。Patrick擁有七項(xiàng)專利以及斯坦福大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，曾居住在美國(guó)加利福尼亞州、美國(guó)德克薩斯州、美國(guó)亞利桑那州、美國(guó)馬薩諸塞州和德國(guó)。Patrick來自美國(guó)中西部地區(qū)，現(xiàn)與妻子Lyn居住在美國(guó)新英格蘭地區(qū)，并育有兩個(gè)孩子。