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優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，提升電動(dòng)汽車應(yīng)用前景

2022-01-10 20:45:42·  來(lái)源：中國(guó)工程院院刊《Engineering》  作者：Peter Weiss  
　
當(dāng)前，電動(dòng)汽車市場(chǎng)加速發(fā)展，全球汽車制造商普遍重視電動(dòng)汽車領(lǐng)域的未來(lái)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(dòng)汽車市場(chǎng)加速發(fā)展，全球汽車制造商普遍重視電動(dòng)汽車領(lǐng)域的未來(lái)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(dòng)汽車或大幅增加電動(dòng)汽車產(chǎn)量。在電動(dòng)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(dòng)汽車的發(fā)展注入新的活力。
中國(guó)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(dòng)汽車應(yīng)用前景》，報(bào)道了一種在電動(dòng)汽車安全和性能方面較常見(jiàn)的組件，即電池管理系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀及在推動(dòng)電動(dòng)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(dòng)汽車電池本身的組件，但這個(gè)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(guò)控制信號(hào)來(lái)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(shí)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(yùn)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(dòng)汽車上押下重注。隨著世界各國(guó)明確要求大幅削減汽油動(dòng)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(dòng)汽車或大幅增加電動(dòng)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(zhǎng)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(tái)、電動(dòng)汽車價(jià)格的下降，電動(dòng)汽車的發(fā)展正接近一個(gè)關(guān)鍵閾值。突破這個(gè)閾值后，其便捷性（隨時(shí)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(guò)價(jià)格相當(dāng)?shù)膬?nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車的同等指標(biāo)。
雖然電動(dòng)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(dòng)汽車的發(fā)展立下大功。2020年9 月，總部位于底特律、占美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額最大的美國(guó)汽車制造商——通用汽車，就以一個(gè)汽車組件吸引了人們的注意力。這是一種在電動(dòng)汽車安全和性能方面較常見(jiàn)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(dòng)汽車電池本身的組件，但這個(gè)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(guò)控制信號(hào)來(lái)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(shí)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(yùn)行。
通用汽車計(jì)劃斥資270 億美元，向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型，到2035 年，用電動(dòng)汽車取代其所有輕型內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車型。作為該計(jì)劃實(shí)施的一部分，這家汽車巨頭及其BMS合作伙伴，即美國(guó)馬薩諸塞州威爾明頓市的一家大型電子元件公司——美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出了一個(gè)全新系統(tǒng)，用于生產(chǎn)汽車的無(wú)線BMS（wBMS），該系統(tǒng)去掉了近90%的常用布線。通用汽車稱，這個(gè)強(qiáng)化后的BMS將提高電動(dòng)汽車電池組的能量密度（影響電動(dòng)汽車行駛里程的一個(gè)重要因素），改進(jìn)電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，并降低成本。
與此同時(shí)，其他電動(dòng)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(shí)時(shí)模擬汽車電池的詳細(xì)物理和化學(xué)狀態(tài)，但仍處于實(shí)驗(yàn)階段。在指導(dǎo)響應(yīng)傳感器信號(hào)方面，普通電動(dòng)汽車的BMS會(huì)參考工廠安裝（并定期升級(jí)）的內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，或用一個(gè)簡(jiǎn)單模型模擬電池，如包含幾個(gè)電子元件的電路。然而高端mbBMS，通過(guò)更復(fù)雜但更迅速和精確的模擬，還可以持續(xù)預(yù)測(cè)無(wú)法直接測(cè)量的內(nèi)部電池狀態(tài)，如電極內(nèi)的電荷水平或可能過(guò)高過(guò)低的內(nèi)部電壓。通過(guò)直接感知電壓和其他電池信號(hào)，接受近乎實(shí)時(shí)提供的模型指導(dǎo)，mbBMS比標(biāo)準(zhǔn)BMS（有線或無(wú)線）能更精確地調(diào)整電池運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境做出快速響應(yīng)。
開(kāi)發(fā)者對(duì)mbBMS進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示，這項(xiàng)技術(shù)能大幅提高電動(dòng)汽車的駕駛性能、續(xù)航里程、電池壽命以及充電能力，同時(shí)最大限度地防止汽車電源過(guò)早老化或其他損傷。如果電池領(lǐng)域的下一個(gè)重大突破還需要一段時(shí)間，僅mbBMS就有可能讓很多人選擇電動(dòng)汽車，放棄化石燃料動(dòng)力汽車。
必須小心監(jiān)控管理電動(dòng)汽車電池組，否則其內(nèi)部的鋰離子技術(shù)裝置可能會(huì)有過(guò)熱危險(xiǎn)或其他故障。通用汽車工程師兼無(wú)線電池電子技術(shù)負(fù)責(zé)人Fiona Meyer-Teruel表示：“幾乎所有電動(dòng)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(jī)和其他便攜式電子設(shè)備，也采用BMS來(lái)監(jiān)控和顯示電池充電情況。然而，電動(dòng)汽車高壓電池組的價(jià)格平均占汽車購(gòu)買價(jià)款的五分之一以上，其中可能有數(shù)百至數(shù)千個(gè)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(xiǎn)比手機(jī)要高得多?！?/span>
標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車BMS通常是通過(guò)一個(gè)電線網(wǎng)絡(luò)與汽車電池組的每個(gè)部分緊密相連（圖1）。通過(guò)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?cái)?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(gè)辦法，可直接幫助通用汽車即將推出的新電動(dòng)汽車在與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車的競(jìng)爭(zhēng)中取得一席之地。續(xù)航里程增加后，消費(fèi)者就不會(huì)擔(dān)心電動(dòng)汽車能否開(kāi)到目的地了，這個(gè)問(wèn)題曾是阻礙電動(dòng)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(shí)驗(yàn)室中表面整潔的高壓電動(dòng)汽車電池組蓋板下，多個(gè)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(wú)線通信，還可以與由通用汽車和電子元件制造商ADI共同開(kāi)發(fā)的微處理器的電池監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。資料來(lái)源：Jeffrey Sauger/GM (public domain)
Meyer-Teruel 表示，通用汽車宣布計(jì)劃在未來(lái)5 年內(nèi)推出30 款新電動(dòng)汽車，其中wBMS的應(yīng)用為其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了一定優(yōu)勢(shì)，雖然這個(gè)優(yōu)勢(shì)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(guò)的轎車、輕型卡車和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（SUV）車型，挑戰(zhàn)巨大。為此，通用汽車計(jì)劃采用其所謂的“Ultium Drive”的各種驅(qū)動(dòng)模式來(lái)制造上述車型?！癠ltium Drive”由5 個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元（從前輪、全輪到特殊類型）組成，包括電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、單速變速器和動(dòng)力電子設(shè)備。驅(qū)動(dòng)單元可包含三種強(qiáng)大電機(jī)中的兩種，一些汽車將配備不止一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)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(dòng)汽車提供動(dòng)力，通用汽車與韓國(guó)LG化學(xué)有限公司共同開(kāi)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(guó)俄亥俄州洛茲鎮(zhèn)附近建設(shè)；2021年4 月，美國(guó)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(jì)劃。雖然電動(dòng)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(wú)線發(fā)射器和接收器通信，而且通過(guò)加密信號(hào)進(jìn)行管理，因此大大減少了這些模塊的硬布線，從而簡(jiǎn)化了電池組的設(shè)計(jì)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(jì)電池組的速度，縮短我們推出新款汽車的時(shí)間?！崩?，通用汽車工程師僅用了兩年時(shí)間就為功率高達(dá)746 kW（1000 馬力） 的2022 款悍馬全電動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(gè)電池的電池組，預(yù)計(jì)該款車型將于2021年晚些時(shí)候上市（圖2）。


圖2 2022 款悍馬電動(dòng)SUT將成為首款采用通用汽車新型無(wú)線BMS的電動(dòng)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(guò)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(gè)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(dòng)SUV，其峰值功率（619 kW）比2022 款悍馬電動(dòng)SUT 的小約20%。資料來(lái)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(guò)程，為電動(dòng)汽車、可再生能源存儲(chǔ)單元和其他電池動(dòng)力設(shè)備實(shí)時(shí)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(guó)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(hào)稱其工程團(tuán)隊(duì)為“改革者”。他們專注于簡(jiǎn)化基于物理/化學(xué)模型的數(shù)學(xué)表示方式，并將這些簡(jiǎn)化版本轉(zhuǎn)換為異?？焖俚挠?jì)算機(jī)算法和軟件。Subramanian表示，據(jù)此設(shè)計(jì)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(yùn)行和充電的速度。例如，在過(guò)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(guò)于復(fù)雜，無(wú)法在有效的mbBMS中應(yīng)用。
Subramanian 表示，2012 年他在美國(guó)密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)任教時(shí)所做的mbBMS工作受到了關(guān)注。美國(guó)能源部向他和他在美國(guó)科羅拉多州戈?duì)柕鞘械膰?guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的同事?lián)芸?00 萬(wàn)美元，用于演示mbBMS 控制對(duì)鋰離子電化學(xué)電池性能的幾項(xiàng)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?yàn)殡姵貕勖s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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員報(bào)道了實(shí)驗(yàn)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(dòng)汽車電池的性能。例如，得克薩斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)和BattGenie 已證明，基于模型的管理可以將電池壽命延長(zhǎng)100%~150%（圖3），將充電次數(shù)減少50%。


圖3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)人員稱，這一發(fā)現(xiàn)“首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了……基于實(shí)時(shí)物理的模型預(yù)測(cè)控制（MPC）對(duì)電池性能的顯著改善效果”。電動(dòng)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(lái)源：Institute of Physics，經(jīng)許可
Pathak表示，BattGenie已經(jīng)為幾家電動(dòng)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(gè)mbBMS 用于量產(chǎn)電動(dòng)汽車上。Subramanian 表示，基于NREL 項(xiàng)目的早期研究，BattGenie 還通過(guò)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(lái)說(shuō)，基于模型的控制對(duì)電池的各個(gè)方面都有好處，并非只能延長(zhǎng)電池使用壽命及加快電池充電速度。”
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