电动汽车BMS的创新和性能提升

工程7（2021）1041新闻亮点更好的电池管理提升电动汽车前景彼得·韦斯高级技术作家全球汽车制造商都在电动汽车（EV）上下大赌注。随着全球各国强制要求大幅减少汽油动力运输[1，2]，包括大众、通用汽车（GM）、本田、戴姆勒、福特、沃尔沃和日产在内的大多数领先汽车制造商都宣布了仅生产电动汽车或大量生产电动汽车的举措[3随着充电基础设施的快速国际增长和普及、技术改进、优惠政策和价格下降[2，10，11]，电动汽车正在接近一个关键的门槛。除此之外，它们的便利性（需要时电池充电的容易性），范围（在充满电的电池上），寿命（主要与电池组寿命有关）和性能预计将领先于价格相当的内燃机（ICE）动力车辆的同等指标。虽然在电动汽车电池方面取得新突破的努力已经成为人们关注的焦点[12，13]，但其他不太明显但有希望的发展也将有助于推动电动汽车的发展。2020年9月，美国国内市场份额最大的汽车制造商、总部位于底特律的通用汽车，一个常见的，但相对模糊的演员在电动汽车的安全和性能称为电池管理系统（BMS）。 虽然不是EV电池本身的组件，但该微处理器模块及其相关电路监测电池单元的电压、电流和温度，并通过控制信号调节这些水平，以帮助保持最佳车辆性能，同时将电池操作保持在安全和安全的范围内。足够的电荷和其他参数范围[11]。作为通用汽车公司计划在2035年前以270亿美元的资金将其所有轻型ICE动力车型转型为电动汽车的一部分(ADI)美国马萨诸塞州威尔明顿的一家主要电子元件公司，推出了他们所说的汽车行业的第一款无线BMS（wBMS），用于生产车辆，消除了近90%的常规布线[14]。据通用汽车公司称，这种BMS的增强也会导致即将推出的电动汽车电池组的能量密度增加（电动汽车续驶里程的一个重要因素）作为电动汽车设计和制造的改进和成本降低。与此同时，其他电动汽车BMS创新者正在推进“基于模型”的BMS（mbBMS），其中最复杂的，虽然仍然是实验性的，但几乎实时模拟车辆电池的详细物理和化学。为了指导对传感器信号的响应，普通EVBMS参考工厂的内部表格安装（并定期更新）经验数据或模拟电池与一个简单的模型，如电路包含几个电子元件。然而，通过更复杂、更快速、更准确的模拟，高端mbBMS还可以持续预测无法直接测量的内部电池状态，例如电极内的电荷水平或内部电压可能过高或过低。通过直接感测的电压和其他电池信号，加上近实时的模型提供的指导，mbBMS比标准BMS有线或非有线更精细地调整电池工作条件，以响应即时情况。开发人员对mbBMS的实验室测试表明，该技术可以显着提高电动汽车的驾驶性能、续航里程、寿命和充电能力，同时最大限度地减少过早老化或对车辆电源的其他损害如果电池领域的下一个重大突破需要一段时间，那么单凭mbBMS就有可能推动电池电动交通工具领先于化石燃料。除非电动汽车电池组得到仔细的监控和管理，否则它们内部的诺贝尔奖获得者锂离子技术可能会危险地过热或发生故障。 你需要知道电池的状态才能安全地操作车辆。许多其他可充电的电子设备-移动电话和其他便携式电子产品-也包含BMS来监控和指示电池充电。然而，电动汽车中的高压电池组平均占购买价格的五分之一以上，可能包括数百至数千个电化学电池[16]。‘‘For cars, the stakes aremuch higher than cell phones,” said Venkat Subramanian,professor of mechanical engineering and mbBMS expert at theUniversity of Texas (UT),标准的EV BMS通常通过缠绕其紧密聚集的电池的电线网络与车辆电池组的每个部分进行电接触通过消除这些电线，通用汽车公司的新wBMS开辟了空间，他们已经占领，恢复了到15%的电池组体积，可以用于更多的电化学电池[17]。在完全可用的体积内添加电池提高了车辆的电源的能量密度，从而提高了车辆的行驶里程。Meyer-Teruel说，这是切换到wBMS可以直接帮助通用汽车预期的新EV车队获得ICE动力车辆的方式之一多个范围https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0102095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engP. Weiss工程7（2021）10411042Fig. 1. 2020年2月，在通用汽车电池电气实验室，在构成这款高压电动汽车电池组这些模块相互之间以及车辆基于微处理器的电池监控系统之间进行无线通信，这是通用汽车和电子制造商ADI公司共同开发的一项先进技术。图片来源：Jeffrey Sauger/GM（公共领域）。这意味着购买者对能够到达目的地的焦虑减少，而这些目的地长期以来一直困扰着电动汽车的销售[1]。Meyer-Teruel说，在通用汽车宣布计划在未来四年推出的30款新电动汽车的设计和制造中，wBMS也产生了不太明显的竞争优势该公司面临着快速大规模生产一系列汽车、轻型卡车和运动型多功能车的巨大挑战。为了实现这一目标，该公司设计了五个版本的驱动单元可以包含多达两个或三个不同的强大的电动机，有些车辆将具有一个以上的驱动单元。对于装配线上的每一个新型号，制造商将以不同的数量和配置安装一系列驱动组件到一个预制的、四轮的、装有电池的起落架）[19]，并将组件封装在模型适当的主体中。但是电池组也因型号不同而有很大的差异--在大小、形状和电化学电池的数量上。为了为通用汽车即将推出的电动汽车车队提供动力，该汽车制造商和韩国LG化学有限公司的合资企业创造了一种新的锂离子电化学电池类型，也称为Ultium，具有新颖的化学成分。一家价值23亿美元的工厂正在美国俄亥俄州Lordstown附近建设，用于大规模生产电池;计划于2021年4月宣布以相同成本在田纳西州建立第二家工厂。虽然EV电池中相同电池的堆叠是固有的模块化[20]，但Ultium电池可以水平或垂直堆叠，从而实现电池组模块的多种形状因子和配置[21]。由于新的wBMS以及它们使用无线发射器和接收器来相互通信以及通过加密信号与管理系统进行通信，这些模块的硬接线急剧减少，从而简化了包装设计和组装。由于这种增强，例如，在短短两年的时间里，而不是通常的五到六年，通用汽车的工程师开发了一个特殊的盟友复杂的，近600个电池组的高达746千瓦（1000马力），全电动，2022悍马EV运动型多用途卡车定于今年晚些时候上市（图）。 2）的情况。在mbBMS研究和发展，工程师等Subramanian十多年来一直致力于快速模拟锂离子电池图二. 2022年悍马EV运动型多用途卡车将成为第一款使用通用汽车新无线BMS的电动汽车。该系统将控制的200 kW·h电池组产生400 V，但从高达350 kW的充电器以800V充电。该电池组由两层24个电池模块组成，是第一代Ultium电池组中最大的通用汽车还宣布了一款2024年的悍马EV运动型多用途车，其峰值功率降低约20%（619千瓦），将于2023年秋季上市。图片来源：GM（public domain）。并且足够精确，以实时向电动汽车、可再生能源存储单元和其他电池供电设备提供更好的电池性能Subramanian在美国华盛顿州西雅图附近与Manan Pathak共同创立了BattGenie公司，Manan Pathak以前是一名学生，现在是该公司他们擅长于简化基于物理/化学模型的数学表示，并将这些更精简的版本转换为异常快速的计算机算法和软件。他说，由此产生的模拟在几十毫秒内产生了有用的结果，这一速度足以跟上车辆运行和充电的步伐例如，在过去的几年里，他们已经适应了mbBMS，一种称为伪二维的模型类型，以前被认为太复杂而无法在有效的mbBMS中实现[22]。Subramanian说，他的mbBMS工作在2012年“真正得到了牵引力”，当时他在美国密苏里州圣路易斯的华盛顿大学任教。他和他在美国科罗拉多州戈尔登的美国国家可再生能源实验室（NREL）的同事获得了500万美元的美国能源部资助，以证明通过mbBMS控制对锂离子电化学电池性能的几项改进。其中包括更快的充电，不会导致电池寿命不受欢迎的减少。从那时起，他们和世界各地的大学和政府实验室的其他实验人员报告了实验室结果，表明基于模型的方法在电动汽车电池性能方面具有广泛的例如，UT集团和BattGenie已经证明，基于模型的管理可以将电池寿命延长100%Pathak说，BattGenie已经为几家电动汽车制造商进行了蜂窝和模块化水平的mbBMS技术演示，该公司的目标是下一步进行完整的电池组模拟，并在2022年底前将其第一批mbBMS投入生产电动汽车Subramanian说，在NREL项目的早期步骤的基础上，BattGenie还向客户展示了选定的电化学电池，mbBMS控制也可以在不牺牲性能的情况下将电池占地面积和重量减少20%“总的来说，”他说，“基于模型的控制对一切都有好处--它不仅仅是为了更长的寿命和更快的充电。”P. Weiss工程7（2021）10411043图三. 实验室实验表明，与标准充电方案（2CC-CV;红线）相比，mbBMS控制下的16A·h镍锰钴袋式锂离子电化学电池（绿线）的平均寿命增加超过100%（> 1800次充电/放电循环） 这些发现是“第一个通过实验证明... . 实验人员报告说，从基于物理的实时模型预测控制（MPC）中，电池性能得到了“显著改善”。电动汽车不能再使用容量低于80%的电池。SOH：健康状态;图片来源：Institute of Physics，with permission.引用[1] 帕尔默角电动汽车市场有望加速。工程2021;7（2）：136-8.[2] 2021年全球电动汽车展望次报告. 巴黎：国际能源署; 2021年4月。[3] 大众计划到2030年为所有车型提供电动选项。伦敦：BBC; 2017年9月11日[引用2021年5月12日]。可从：https://www.bbc.com/新闻/业务-41231766。[4] 作者：A.到2035年，通用汽车将只销售零排放汽车。纽约市：纽约时报; 2021年1月28日[引用2021年5月13日]。可查阅：https://www.nytimes.com/2021/01/28/business/gm-zero-emission-vehicles.html。[5] 多莫诺斯克角Honda的目标是到2040年实现全电动化。华盛顿特区：国家公共广播 电 台 ; 2021 年 4 月 23 日 [ 引 用 于 2021 年 5 月 14 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://www.npr.org/2021/04/23/990153361/honda-aims-to-go-all-electric-by-2040。[6] Carey N.戴姆勒在2021年强劲开局后将在电动转向上发力[互联网]。伦敦：路透社 ; 2021 年 3 月 31 日 [ 引 用 2021 年 5 月 15 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://www.reuters.com/business/autos-transportation/daimler-says-2021-off-strong-start-speed-up-electricity-2021-03-31/。[7] 韦兰湾福特首席执行官承诺Englewood Cliffs：CNBC; 2021年2月4日[引用于2021 年 5 月 12 日 ] 。 可 查 阅 ： https://www.cnbc.com/2021/02/04/ford-ceo-promises-year-of-action-for-restructuring-and-evs.html。[8] Ewing J. 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