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導讀
電動汽車的發展正接近一個關鍵門檻值。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期
作者：Peter Weiss
來源：Better Battery Management Boosts Electric Vehicle Prospects[J].Engineering,2021,7(8):1041-1043.
編者按
目前，電動汽車市場加速發展，全球汽車制造商普遍重視電動汽車領域的未來發展。全球大部分領先汽車制造商，如大衆、通用、本田、戴姆勒、福特、沃爾沃和東風日産，宣布以後隻生産電動汽車或大幅增加電動汽車産量。在電動汽車電池發展不斷取得新的突破性成果的基礎上，其他極具發展前景的研究成果，如電池管理系統的優化，有望為電動汽車的發展注入新的活力。
中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期刊發《優化電池管理系統，提升電動汽車應用前景》，報道了一種在電動汽車安全和性能方面較常見的元件，即電池管理系統的發展研究現狀及在推動電動汽車應用前景方面的巨大潛力。文章指出，雖然電池管理系統不是電動汽車電池本身的元件，但這個微處理器子產品及其相關電路卻監控着電池的電壓、電流和溫度，并通過控制信号來調整這些參數的水準，以幫助維持汽車的最佳性能，同時確定電池在安全且電量充足以及在參數範圍内正常運作。
全球汽車制造商在電動汽車上押下重注。随着世界各國明确要求大幅削減汽油動力交通工具，全球大部分領先汽車制造商，如大衆、通用、本田、戴姆勒、福特、沃爾沃和東風日産，宣布以後隻生産電動汽車或大幅增加電動汽車産量。随着充電基礎設施數量在全球範圍内快速增長和充電基礎設施的标準化，以及技術的進步、優惠政策的出台、電動汽車價格的下降，電動汽車的發展正接近一個關鍵門檻值。突破這個門檻值後，其便捷性（随時随地充電的友善程度）、續航裡程（在電池充滿電的情況下）、壽命（主要與電池組壽命有關）以及性能均将有望超過價格相當的内燃機動力汽車的同等名額。
雖然電動汽車電池發展的新的突破性成果吸引了大多數人的注意力，但其他那些不起眼卻極具發展前景的研究成果也有望為電動汽車的發展立下大功。2020年9 月，總部位于底特律、占美國國内市場佔有率最大的美國汽車制造商——通用汽車，就以一個汽車元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元件，其名字叫做電池管理系統（BMS）。雖然電池管理系統不是電動汽車電池本身的元件，但這個微處理器子產品及其相關電路卻監控着電池的電壓、電流和溫度，并通過控制信号來調整這些參數的水準，以幫助維持汽車的最佳性能，同時確定電池在安全且電量充足以及在參數範圍内正常運作。
通用汽車計劃斥資270 億美元，向電動汽車轉型，到2035 年，用電動汽車取代其所有輕型内燃機動力車型。作為該計劃實施的一部分，這家汽車巨頭及其BMS合作夥伴，即美國馬薩諸塞州威爾明頓市的一家大型電子元件公司——美國模拟器件公司（ADI）推出了一個全新系統，用于生産汽車的無線BMS（wBMS），該系統去掉了近90%的常用布線。通用汽車稱，這個強化後的BMS将提高電動汽車電池組的能量密度（影響電動汽車行駛裡程的一個重要因素），改進電動汽車的設計及生産，并降低成本。
與此同時，其他電動汽車BMS創新者正在研發“基于模型的”BMS（mbBMS），其中最精密的一種可以近乎實時模拟汽車電池的詳細實體和化學狀态，但仍處于實驗階段。在指導響應傳感器信号方面，普通電動汽車的BMS會參考工廠安裝（并定期更新）的内部經驗資料表，或用一個簡單模型模拟電池，如包含幾個電子元件的電路。然而高端mbBMS，通過更複雜但更迅速和精确的模拟，還可以持續預測無法直接測量的内部電池狀态，如電極内的電荷水準或可能過高過低的内部電壓。通過直接感覺電壓和其他電池信号，接受近乎實時提供的模型指導，mbBMS比标準BMS（有線或無線）能更精确地調整電池運作狀态，對實時環境做出快速響應。
開發者對mbBMS進行的實驗室測試結果顯示，這項技術能大幅提高電動汽車的駕駛性能、續航裡程、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。
必須小心監控管理電動汽車電池組，否則其内部的锂離子技術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負責人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。你需要先了解汽車電池的狀态才能安全駕駛。”許多其他可充電的電子裝置，包括手機和其他便攜式電子裝置，也采用BMS來監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，其中可能有數百至數千個電化學電池。得克薩斯大學奧斯汀分校的化學工程教授兼mbBMS專家Venkat Subramanian表示：“汽車的風險比手機要高得多。”
标準的電動汽車BMS通常是通過一個電線網絡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%的電化學電池組。在高度富餘的空間内增加電池數量可提高汽車電源的能量密度，進而提高汽車續航裡程。Meyer-Teruel 表示，換用wBMS也是一個辦法，可直接幫助通用汽車即将推出的新電動汽車在與内燃機動力汽車的競争中取得一席之地。續航裡程增加後，消費者就不會擔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，通用汽車電池電學實驗室中表面整潔的高壓電動汽車電池組蓋闆下，多個電池子產品包裹着緊密封裝的電化學電池。這些子產品之間可進行無線通信，還可以與由通用汽車和電子元件制造商ADI共同開發的微處理器的電池監控系統進行通信。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 年内推出30 款新電動汽車，其中wBMS的應用為其設計和生産帶來了一定優勢，雖然這個優勢不太明顯。通用汽車要快速批量生産一系列以前從未生産過的轎車、輕型卡車和運動型多用途汽車（SUV）車型，挑戰巨大。為此，通用汽車計劃采用其所謂的“Ultium Drive”的各種驅動模式來制造上述車型。“Ultium Drive”由5 個電動驅動單元（從前輪、全輪到特殊類型）組成，包括電動汽車發動機、單速變速器和動力電子裝置。驅動單元可包含三種強大電機中的兩種，一些汽車将配備不止一個驅動單元。制造商将為裝配線上的每一款新車型選擇不同數量和配置的驅動元件，并将其安裝在預制的四輪電池“Ultium Platform”（即底盤）上，然後将元件封裝在與車型相适應的車身中。
但是不同型号的電池組，在尺寸、形狀和電化學電池的數量上也有很大的不同。為給通用汽車即将推出的電動汽車提供動力，通用汽車與南韓LG化學有限公司共同開發了一種新的锂離子電化學電池類型，即Ultium，其中含有一種新的化學成分。一家耗資23 億美元用于大規模生産電池的工廠正在美國俄亥俄州洛茲鎮附近建設；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子產品化的，但Ultium 電池可以水準或垂直堆疊，使電池組子產品的形式和配置多樣化。由于采用了新的wBMS，以及不同子產品之間采用無線發射器和接收器通信，而且通過加密信号進行管理，是以大大減少了這些子產品的硬布線，進而簡化了電池組的設計群組裝。由于這些改進，Meyer-Teruel 表示：“wBMS 将加快我們制造和重新設計電池組的速度，縮短我們推出新款汽車的時間。”例如，通用汽車工程師僅用了兩年時間就為功率高達746 kW（1000 馬力） 的2022 款悍馬全電動運動型多用途卡車（SUT）研發出一款通常需要5~6 年才能研發出的異常複雜、包含近600 個電池的電池組，預計該款車型将于2021年晚些時候上市（圖2）。
圖2 2022 款悍馬電動SUT将成為首款采用通用汽車新型無線BMS的電動汽車。該系統控制的200 kW·h 電池組的輸出電壓為400 V，可通過功率高達350 kW、輸出電壓為800 V的充電器充電。該電池組由24 個電池子產品組成，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）。通用汽車還宣布将于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 的研發工程師Subramanian 等人從事研究已有十多年，内容包括：如何快速、準确地模拟锂離子電池的實體和化學過程，為電動汽車、可再生能源存儲單元和其他電池動力裝置實時提供更好的電池性能。Subramanian與其學生Manan Pathak 共同創立了位于美國華盛頓西雅圖附近的BattGenie 公司。Pathak 現在是該公司的首席執行官。Subramanian 号稱其工程團隊為“改革者”。他們專注于簡化基于實體/化學模型的數學表示方式，并将這些簡化版本轉換為異常快速的計算機算法和軟體。Subramanian表示，據此設計的模拟方案在幾十毫秒内就能産生顯著的效果，快到可以跟上汽車運作和充電的速度。例如，在過去幾年中，他們将一種被稱為锂離子電池準二維模型成功應用于mbBMS。此前人們認為該模型過于複雜，無法在有效的mbBMS中應用。
Subramanian 表示，2012 年他在美國密蘇裡州聖路易斯華盛頓大學任教時所做的mbBMS工作受到了關注。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）的同僚撥款500 萬美元，用于示範mbBMS 控制對锂離子電化學電池性能的幾項改進效果。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和政府實驗室的實驗人員報道了實驗結果，用客觀方法表明了以模型為依據的方法的廣泛應用潛力，以顯著提高電動汽車電池的性能。例如，得克薩斯大學團隊和BattGenie 已證明，基于模型的管理可以将電池壽命延長100%~150%（圖3），将充電次數減少50%。
圖3 實驗室研究結果表明，與标準充電模式（2CC-CV；紅線）相比，在mbBMS控制下（綠線），16 A·h 鎳錳钴袋式锂離子電化學電池的平均壽命增加了100%以上（> 1800 次充電/放電循環）。實驗人員稱，這一發現“首次通過實驗證明了……基于實時實體的模型預測控制（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，經許可
Pathak表示，BattGenie已經為幾家電動汽車制造商在電池和子產品化層面做了mbBMS技術示範，該公司下一步的目标是進行全電池組模拟，并在2022 年年底前将其首個mbBMS 用于量産電動汽車上。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，将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，并非隻能延長電池使用壽命及加快電池充電速度。”
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
改編原文：
Peter Weiss.Better Battery Management Boosts Electric Vehicle Prospects[J].Engineering,2021,7(8):1041-1043.