想跟特斯拉掰掰手腕？先解電動汽車“自然而燃”之急

時間：2023-01-10 21:00:10

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[導(dǎo)讀]主機廠都為他們的電動汽車配備了BMS，那為什么還是不能制服電動汽車的火爆脾氣，避免或減少冒煙、自燃甚至爆炸事故呢？顯而易見，上述BMS是有線連接方式，一旦因汽車惡劣環(huán)境而出現(xiàn)線纜連接問題，系統(tǒng)便形同虛設(shè)了

主機廠都為他們的電動汽車配備了BMS，那為什么還是不能制服電動汽車的火爆脾氣，避免或減少冒煙、自燃甚至爆炸事故呢？顯而易見，上述BMS是有線連接方式，一旦因汽車惡劣環(huán)境而出現(xiàn)線纜連接問題，系統(tǒng)便形同虛設(shè)了

近日，比亞迪股份董事長王傳福在“2021中國電動汽車百人會論壇”上呼吁，將電池針刺試驗納入國家強制標(biāo)準(zhǔn)……但是，這就可以消除大多數(shù)發(fā)熱自燃的事故隱患嗎？另外，主機廠不是都在電動汽車上搭載了BMS（電池管理系統(tǒng)）嗎，怎么關(guān)鍵時刻掉鏈子呢？是像王傳福建議所指從電池入手，還是在BMS上做文章，哪個更有普遍意義呢？

為什么發(fā)熱、冒煙、自燃？

電動汽車自燃的原因很多，但八九不離電池。王傳福的“將電池針刺試驗納入國家強制標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)完善電動汽車安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因為針刺試驗是動力電池測試中非常有效、苛刻的一種方法”并沒有錯，但針刺試驗只涉及電池化學(xué)類型和電池包設(shè)計是否經(jīng)得起針刺，并沒有覆蓋電池自燃的更多原因。

三種動力電池針刺測試結(jié)果

問題在于自燃是在什么情況下發(fā)生的：

是否電動汽車都是在路上跑著因外力作用所致？車停在那里或是在充電，并沒有刺穿，也沒有碰撞，也會燒起來。

除了電池本身刺穿，是否還有更多其他因素，如顛簸、碰撞、進水所致電路短路等？

因此，針刺可能有以蠡測海之嫌。

眾所周知，燃燒的最重要條件就是溫度。夏天高溫，純電動汽車或其他車型都容易發(fā)生自燃，因為電池、電路最怕高溫，超過溫度臨界點就會引起局部發(fā)熱，出現(xiàn)冒煙直至自燃。

可是，在寒冷的冬天，電動汽車自燃事故也不少。雖然外界環(huán)境溫度很低，但顛簸、碰撞、積水路段行駛、電池電解液泄漏等都可能導(dǎo)致電池正負極或相關(guān)線路短路，使局部接觸電阻變大產(chǎn)生高溫，也就是熱失控，引燃周圍材料。

在現(xiàn)有電池化學(xué)條件下，要從電池本身避免發(fā)熱自燃還不太可能，磷酸鐵鋰和三元鋰電都有自燃發(fā)生，雖然也有廠商稱其電池“永不自燃”，能信么？因此，必須利用一些手段來監(jiān)測和控制電池發(fā)熱，保證其在正常溫度條件下提供電力。

電池監(jiān)控已成標(biāo)配

分析表明，目前切實可行的辦法還是撇開電池材料乃至電池包設(shè)計，從電池使用角度解決如何及時發(fā)現(xiàn)電池異常，迅速采取措施的問題。這就是人們熟知的BMS。

不管是什么類型電池，都需要在有限溫度和工作電壓范圍內(nèi)工作，以獲得最佳性能和最安全運行，同時還要防止生產(chǎn)工人、車主、機械師和車輛回收商免受高壓和電擊，并防止電池穿刺和沖擊損傷，避免電池中泄漏或排出液體和氣體的影響。

與ICE車輛比，動力電池安全高效工作的溫度范圍更有限，還要考慮車輛使用或充電中電池組設(shè)計的熱安全。因此，監(jiān)測電池電壓和溫度就成為了動力電池最佳性能和最安全操作的保證。每種類型電池的電壓和溫度范圍都不相同，超出此范圍就可能發(fā)生不良副反應(yīng)，從而導(dǎo)致過度自熱、內(nèi)部電氣短路，這是級聯(lián)熱失控的第一步，是最大的安全隱患。

為了使電池組保持在安全工作范圍，可以使用電池監(jiān)測ASIC（專用集成電路）來測量電壓、溫度和電流，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫姵乜刂茊卧?。電池單元電壓和溫度傳感器連接到電池監(jiān)測ASIC；控制處理器通過讀取測量信息來計算電池的當(dāng)前狀態(tài)，確保操作在安全范圍內(nèi)進行。對于高壓電池組，監(jiān)控ASIC以堆疊配置排列，每個ASIC并行測量多個單元。命令和數(shù)據(jù)通過一個隔離通信接口從ASIC傳輸?shù)紸SIC。

BMS示例

通常，電動乘用車有16、96、128或更多電池單元需要測量；而電動商用車電池單元數(shù)可能翻番。電池監(jiān)控系統(tǒng)中有許多印刷電路板（PCB）、傳感器和監(jiān)控ASIC，這些組件之間的通信連接會因上述原因開路，造成通信中斷。這時，電池控制系統(tǒng)法再管理電池組中電池的狀態(tài)。

BMS的窘境

主機廠都為他們的電動汽車配備了BMS，那為什么還是不能制服電動汽車的火爆脾氣，避免或減少冒煙、自燃甚至爆炸事故呢？

顯而易見，上述BMS是有線連接方式，一旦因汽車惡劣環(huán)境而出現(xiàn)線纜連接問題，系統(tǒng)便形同虛設(shè)了。

有線連接故障點多

傳統(tǒng)BMS面臨的挑戰(zhàn)包括：

第一，每節(jié)電池都必須通過電纜連接一個監(jiān)視器，布線復(fù)雜；

第二，線束和連接器易于出現(xiàn)影響可靠性的故障，需要頻繁維護，保修費用較高；

第三，為了使線纜連接更可靠，需要使用粗重的銅線，系統(tǒng)中粗大而笨重的電纜會影響續(xù)航能力、組件成本和安全性。

因此，為了實現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的安全要求，必須對電池管理系統(tǒng)進行創(chuàng)新，以實現(xiàn)以下一些新的功能：

用高精度電池監(jiān)控來確保滿足最嚴格的功能安全標(biāo)準(zhǔn)

用冗余通信協(xié)議提供容錯性，確保電池組的健康和安全狀態(tài)

改變連接方式，確保這些監(jiān)控系統(tǒng)的通信功能萬無一失

無線BMS首秀引起轟動

早在2017年3月，當(dāng)時的凌力爾特（Linear Technology，2019年6月被ADI（Analog Devices）收購）在慕尼黑上海電子展上演示了業(yè)界首款無線電池管理系統(tǒng)（WBMS）概念車。公司國際銷售副總裁David Quarles、Dust Networks產(chǎn)品總裁Joy Weiss進行了現(xiàn)場發(fā)布。

無線BMS概念車引起轟動

David Quarles表示：“無線BMS概念車由設(shè)計合作伙伴歐洲電池制造商LION Smart開發(fā)，它將凌力爾特高度準(zhǔn)確的電池組監(jiān)視器及SmartMesh® 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在寶馬BMW i3車型上進行了整合，取代了電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。BMS的此項重大突破解決了由于汽車線束及電動汽車和混合動力汽車中連接線引起并長期存在的可靠性問題，并簡化了BMS設(shè)計和制造?！庇蒐ION Smart開發(fā)的新電池概念叫“LIGHT Battery”，具有模塊化、安全和無線特性。

寶馬無線BMS概念車

Joy Weiss介紹說，相比有線BMS系統(tǒng)，SmartMesh WBMS具有四個方面的優(yōu)勢：

更安全：SmartMesh采用128位加密的專用網(wǎng)絡(luò)，利用路徑分集和跳頻可實現(xiàn)大于99.999%的可靠性，避免導(dǎo)線、連接器破損引起的系統(tǒng)故障

更智能：很容易增加更多傳感器，有助于改善SOC（續(xù)航里程）和SOH（使用壽命)

更環(huán)保：每輛典型車輛可節(jié)省10m導(dǎo)線及0.5kg的連接器和變壓器，每生產(chǎn)50,000輛車將節(jié)省500km導(dǎo)線和25,000kg的連接器和變壓器

更便宜：可較低BMS總成本和組裝成本，將來的硅片可能比導(dǎo)線和連接器更便宜

串聯(lián)的CAN沒有SmartMesh WBMS靈活

ADI電池管理系統(tǒng)事業(yè)部總經(jīng)理Herman Eiliya在“2021中國電動汽車百人會論壇”上表示：“BMS是電動汽車動力電池系統(tǒng)的重要組成，它是連接電池與用戶之間的紐帶?！?

據(jù)他介紹，與其他競爭技術(shù)相比，ADI的5%高精度電池監(jiān)控技術(shù)可以提升10%-15%的電池可用容量和相應(yīng)行駛里程?！拔覀兡軌虮ＷC1%的誤差。不必像傳統(tǒng)BMS需要有人檢查電池，無線BMS可以時時刻刻持續(xù)監(jiān)測電池狀態(tài)，節(jié)省人工檢測成本。由于整個系統(tǒng)都是無線運行，對于擁有非常豐富產(chǎn)品組合的主機廠益處良多，”他說。

WBMS成硬核，廠商各顯神通

WBMS即將進入量產(chǎn)車

隨著電動汽車對輕量化、可靠性、智能化要求的提升，半導(dǎo)體廠商、電池制造商和主機廠都已經(jīng)意識到：WBMS將是解決傳統(tǒng)BMS難題的有效解決方案。剩下來的事情就是看誰有能力從早期研發(fā)階段步入產(chǎn)業(yè)化，吃到更大的市場蛋糕了！

蜂巢Sensata布局無線BMS

2019年3月，蜂巢能源與Sensata Technologie簽署無線通信BMS合作預(yù)研備忘錄，加速WBMS產(chǎn)業(yè)化進程。雙方將深入合作開展無線通信BMS項目，預(yù)計將在2021年推出首款量產(chǎn)的無線通信BMS產(chǎn)品。

蜂巢能源與Sensata Technologie簽署WBMS合作協(xié)議

Sensata首席執(zhí)行官Martha Sullivan認為：“目前BMS常用通信方式包括CAN及菊花鏈，前者技術(shù)成熟，穩(wěn)定性強，但整體占用空間大，功耗高，成本高；后者雖然成本低，但EMC難度大，可擴展性差。”

他介紹說，與傳統(tǒng)BMS傳輸方式相比，無線通信BMS方式功耗低，可擴展性強，成本適中，同時可減少電池包內(nèi)線束，簡化Pack（電池包）結(jié)構(gòu)，提升整包能量密度，主從板間無高壓風(fēng)險，相比CAN及菊花鏈更安全，是未來電池管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)BMS存在一些缺點

無論是CAN總線還是isoSPI總線，都是將電池監(jiān)控芯片串聯(lián)起來，一旦某處連接出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)都將癱瘓。而無線通信BMS可以減少接插件失效風(fēng)險：單點失效對整體的影響有限，且在網(wǎng)絡(luò)中添加和刪除新節(jié)點也比較靈活。

在電池布局方面，無線連接方案使電池組位置選擇更加靈活，同時具備更好的可擴展性，可根據(jù)應(yīng)用需求輕松增加溫度、電流等傳感器，在惡劣環(huán)境中更具備時間同步的優(yōu)勢。

對電池而言，采用無線既減少了低壓線束，有助于降低成本和實現(xiàn)輕量化，也降低了電池包復(fù)雜度，使模組獨立性更強，在系統(tǒng)集成制造、甚至梯次利用上都更為便利。

Maxim無線BMS將易主

2020年初的CES（國際消費類電子展）上，Maxim Integrated（同年7月ADI宣布對其收購）演示了無線BMS，通過取代電池組和BMS模塊間的傳統(tǒng)有線連接，減輕了電線和連接器重量，消除模塊間隔離組件降低了成本、制造復(fù)雜性并縮短制造時間，電池組形狀也更加靈活。

無線（上）和有線（右）BMS配置演示

Maxim Integrated汽車業(yè)務(wù)部門執(zhí)行總監(jiān)Tamer Kira認為：“符合ASIL D（汽車功能安全完整性等級，D為最高級）標(biāo)準(zhǔn)的電池管理解決方案應(yīng)該能夠以一種更高效率和更高安全性的方式來管理電壓，從而驅(qū)動電動汽車電池組?！?

他解釋說，符合最高安全級別的BMS有不同架構(gòu)，基于星型配置的獨立CAN架構(gòu)很穩(wěn)定，但物料清單（BOM）成本較高，通信速度相對較慢。相比之下，可靠、穩(wěn)健的菊花鏈架構(gòu)能夠以更低的成本提供更快、更可靠的通信。

因此，在評估BMS時，需要尋找的另一個有用特性是自動電池平衡，它可以最大限度地減少手動操作（編碼等）的工作量。在支持不同的電池組尺寸方面，一定程度的靈活性非常有益。

Maxim獨特的BMS技術(shù)（MAX17853）是當(dāng)時業(yè)界唯一符合ASIL D標(biāo)準(zhǔn)的電池監(jiān)測器IC。憑借其獨特、專有的菊鏈?zhǔn)郊軜?gòu)和快速SAR ADC，該方案可實現(xiàn)快速、高精度測量，優(yōu)化混合動力、電動汽車及任何擁有多節(jié)串聯(lián)可充電電池組的系統(tǒng)，提高車輛安全性；在提高鋰電池組工作可靠性的同時降低系統(tǒng)成本。

即將易主的Maxim無線BMS

其業(yè)界唯一的電容式隔離可以利用電池組上的電容代替昂貴的隔離變壓器，將相關(guān)BOM成本降低多達90%，并降低故障率（FIT）。

通用汽車和Visteon搶先一步

2020年11月，通用汽車宣布推出首款可量產(chǎn)、完全無線電池管理系統(tǒng)，以持續(xù)監(jiān)控電池組的健康和充電狀態(tài)。該方案與Visteon及其他技術(shù)伙伴合作研發(fā)。為此，通用汽車將成為首家在電動汽車中采用WBMS的主機廠。通用將在所有計劃中的電動車型Ultium電池中標(biāo)配該系統(tǒng)。其腳步比BMW更快。

Visteon總裁兼首席執(zhí)行官Sachin Lawande表示：“我們的無線BMS技術(shù)消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)電池組的線束，為電動汽車提供了一個安全可靠的電池系統(tǒng)。無線創(chuàng)新系統(tǒng)還可以降低終端用戶維修成本，因為可能會引發(fā)問題的物理設(shè)備和電線在新系統(tǒng)中已蕩然無存。”

Ultium電池的無線單元

據(jù)介紹，該系統(tǒng)提供的平臺可在車輛使用壽命內(nèi)高精度測量電池狀況，讓每個電芯的能量利用實現(xiàn)最大化，延長車輛續(xù)航里程。此外，新型BMS系統(tǒng)也可支持安全可持續(xù)性的零鈷電池化學(xué)，如磷酸鐵鋰（LFP），主機廠正致力于實現(xiàn)此種可持續(xù)性目標(biāo)。該模塊化解決方案支持多種充電協(xié)議，滿足主機廠在成本、重量和包裝方面的要求。

通用汽車希望該無線BMS系統(tǒng)能夠推動搭載Ultium電池的電動汽車更快上市，因為研發(fā)具體通信系統(tǒng)或為每輛新車重新設(shè)計復(fù)雜的配線方案并不需要時間。相反，無線系統(tǒng)有助于確保未來通用汽車產(chǎn)品線中Ultium電池的可擴展性，包括不同品牌及重型卡車和高性能車輛等不同車型。

這款方案的技術(shù)伙伴就是上面提及的ADI，技術(shù)特性不再贅述。

德州儀器緊追不放

今年1月，在以全數(shù)字化方式進行的CES 2021上，德州儀器（TI）率先發(fā)布了業(yè)內(nèi)首個既通過TüV SüD評估，又滿足ISO 26262 ASIL D功能安全等級的無線電池管理解決方案。

“2021中國電動汽車百人會論壇”上，TI中國區(qū)嵌入式與數(shù)字光處理應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)師英表示：“這一解決方案可提供業(yè)界最出色的網(wǎng)絡(luò)可用性，支持跨多平臺可靠擴展，有助于汽車客戶設(shè)計制造更安全、可靠、高效且行駛更遠的電動汽車。”

TI無線BMS示例

該無線BMS產(chǎn)品由以下兩部分組成：

SimpleLink? 2.4GHz CC2662R-Q1無線微控制器（MCU）：采用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的Arm® Cortex®-M4，經(jīng)優(yōu)化可實現(xiàn)低功耗、擴展溫度范圍和增強安全性；該器件采用專為無線BMS用例開發(fā)的新無線協(xié)議，解決了通信錯誤檢測和安全問題。

BQ79616-Q1電池監(jiān)控平衡器：符合ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，具備通信、溫度和電壓測量功能芯片級ASIL D等級。借助CC2662R-Q1無線MCU，可以在主機系統(tǒng)處理器與BQ79616-Q1之間進行穩(wěn)定可靠和可擴展的數(shù)據(jù)交換。

據(jù)介紹，與有線連接相比，該解決方案的無線協(xié)議可以實現(xiàn)業(yè)界最好的網(wǎng)絡(luò)可靠性（超過99.999%）和最大300ms的網(wǎng)絡(luò)重啟可用性。其無線協(xié)議是基于2.4GHz頻段運行的低功耗Bluetooth® 技術(shù)編制的專有無線BMS協(xié)議。

無線MCU可提供高吞吐量和低延遲的專用時隙，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞，使多個電池單元能夠以±2mV的精度向主MCU發(fā)送電壓和溫度數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包錯誤率小于10-7。

主機廠可以利用安全驅(qū)動工具減少潛在威脅，例如密鑰交換和刷新；獨特的設(shè)備身份驗證；調(diào)試安全；基于聯(lián)合測試行動小組（JTAG）協(xié)議鎖定的軟件IP保護；高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）128位加密加速和消息完整性檢查。

考慮到主機廠的長期設(shè)計需求，無線BMS創(chuàng)新技術(shù)還提供更高的可擴展性。專有協(xié)議可提供市場上最高的吞吐量，使主機廠能夠在不同電池配置中（如32、48和60個電池單元的系統(tǒng)等）將采用單個無線片上系統(tǒng)的電池模塊與多個BQ79616-Q1電池監(jiān)視器相連。這樣的系統(tǒng)設(shè)計支持多達100個節(jié)點，每個節(jié)點都達到業(yè)界最低延遲（低于2ms），且每個節(jié)點的測量均可實現(xiàn)時間同步。

主機廠選擇更靈活

也許是和特斯拉掰手腕的機會

“2021中國電動汽車百人會論壇”上半導(dǎo)體公司不過5家，其中兩家談到了無線BMS技術(shù)，可見其意義非同小可。不過，目前真正在量產(chǎn)車中采用無線電池監(jiān)控的好像還沒有，開始評估的也是少數(shù)。甚至連愛忽悠的馬斯克也還沒有說無線BMS如何如何。

此前，特斯拉先進的BMS技術(shù)是其在市場上脫穎而出的勝負手之一，它一直將其BMS視為最高機密，一直由自己把控。不過，隨著幾款車型的大量上市，其BMS已了然于天下。我至今仍未發(fā)現(xiàn)特斯拉采用無線BMS的蛛絲馬跡，除非它的保密工作滴水不漏。其他主機廠，包括傳統(tǒng)的和新勢力，或許可以在這方面和特斯拉掰掰手腕！