电动汽车无线供电技术(电动汽车无线充电技术)

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事(微信官方账号:车东西)
作者|郝汉
编辑|晓寒
切断通用电动车内部线束，引领电动车走向无线时代！
就在最近，通用汽车在中国发布了“Otergy”电动汽车平台。其电池组最大的亮点是配备了无线BMS系统(wBMS)，切断了电池组中90%的线束——不仅减轻了电池组的重量，增加了能量密度、系统复杂度和材料成本，还提高了电池组的稳定性。
水基泥浆的应用也提高了生产效率。因为少了90%的线束，大大简化了电池组的组装。同时，在一般的Otergy电池厂，机械臂在流水线上抓取电池组时，可以直接使用无线模块检测电芯的性能，也省去了传统接线质检的步骤。
最后，由于无线BMS系统的存在，可以方便地进行电池全生命周期的性能测试，从而使二手车估价更准确，电池阶梯利用更方便，拆卸回收更顺畅…
未来，随着车内无线连接技术的进一步成熟和普及。BMS域控制器与电源域、车身域、自动驾驶域或中央计算平台之间可实现无线连接，将逐步切断当前车辆数公里的连接线束，大大降低车辆的复杂度和生产成本，使车辆真正成为模块化的智能产品……
WBMS是智能电动汽车无线化的第一步。通用汽车显然在推动电动汽车进入无线时代方面发挥了关键作用。
一、无线BMS的优势:续航能力更强，更安全。通用汽车在OTENG pure level平台上搭载的无线电池管理系统(以下简称wBMS系统)由通用汽车和ADI公司亚朵半导体(以下简称ADI)联合开发，减少了现有BMS系统内部的连接线束。
电动汽车的动力电池组由多个电池模块组成，电池模块内部有多个电芯。为了实时监控每个电池单元的性能，电池监控器安装在每个模块中。这些监视器将收集每个电池单元的电压、电流和温度数据，并将数据发送到电池组控制器(BMS控制器)。
BMS(左)和wBMS(右)的传统连接模式
目前所有电动汽车都采用菊花链有线连接，将模块监控器的数据传输到BMS控制器。有了这个wBMS系统，OTE在每个模块监控器和BMS控制器中都嵌入了射频芯片，从而建立了一个名为SmartMesh的无线网络，将每个模块监控器和BMS控制器连接起来进行数据传输(如上图)。
与传统的BMS系统相比，wBMS系统有三大优势。
1.提高车辆寿命。
引入wBMS后，电池组内部线束可减少约90%，内部空空间可增加15%。根据期刊Spectrum IEEE给出的数据，具体来说，每个电池组减少了长3m、重1kg的线束。
Otergy电池组中的内部线束非常少。
这样在电池容量不变的情况下，降低了电池组的整体重量。或者体积不变，可以增加电池组的容量。这两种方法都可以提高车辆的续航能力，节省线束成本。
ADI公司中国汽车电子事业部高级战略及业务拓展经理陈升告诉车东熙，wBMS系统与有线BMS的本质区别在于减少了通信线束，细胞采样数据通过无线通信传输。两者的测量精度完全相同——全生命周期内各种工况下正负2毫伏。
2.提高车辆的安全性。
“wBMS不仅可以提高电池组中空的利用率，还可以增加能量密度。”陈升说，“同时，由于减少了线束，简化了电池组的组装复杂度，降低了组装过程中出现问题的概率，未来电池组的维护也会更加方便。”
3.降低整车成本。
为了保证通信的可靠性，电池组中的通信线束通常选择强度高、载流量大、发热量低的重型铜芯电缆，而不是价格低廉的铝芯电缆。当然，成本也较高。无线BMS减少了90%的线束，自然可以大幅降低电池组的材料成本。
业内称，wBMS的价格明显低于传统的BMS系统，即使不考虑生产过程中节省的成本，只提节省的材料成本。未来，wBMS系统的成本有望降至有线BMS系统的50%左右。
据了解，通用汽车的Otergy纯电动平台是全球首款搭载wBMS系统的量产车平台。未来，通用汽车基于Otergy平台打造的所有纯电动汽车都将搭载这套wBMS系统。今年9月，阿迪宣布与英国路特斯达成合作。双方计划在路特斯下一代轻型电动汽车架构中使用wBMS系统。
第二，多种手段保证通信稳定，达到ASIL-D标准。现有的无线通信技术，无论是蓝牙、WIFI，还是4G、5G网络，都存在网络不稳定的问题。对于电动车来说，如果出现网络波动，显然会影响行车安全。那么这个wBMS系统是如何保证通信的稳定性、实时性和安全性的呢？
据陈生介绍，Otergy平台的wBMS系统采用2.4GHz的无线传输频段，应用ADI公司开发的SmartMesh网络架构。这种网络架构以前在工业生产中经常使用，可以为整个wBMS系统的传输稳定性提供三重保障。
ADI公司wBMS系统原理图
首先，本系统采用了自适应随机跳频技术。当系统识别到当前通信频段存在干扰时，wBMS系统中的无线主芯片会对下一个时间窗内的通信频段(非固定频段序列)进行判断，判断后会通知从芯片，这样两个芯片会自动同时换到不受干扰的频段，从而避免干扰。
此外，整个流程系统可以自主学习，通过算法识别高拥塞的通道，主动降低通道占用率。
其次，ADI公司的SmartMesh网络架构使用TSCH链路层进行通信。网络中的终端可以在微秒内同步，网络通信组织成时隙，可以实现低功耗分组交换、成对信道跳变和全路径分集。
此外，每个设备具有冗余路径，以克服由干扰、物理遮挡或多径衰落引起的通信中断。如果一条路径上的数据包传输失败，Smart Dust将自动在下一条可用路径和不同的射频通道上重试。
SmartMesh网络架构示意图
如果节点与电池管理系统之间的无线通信出现异常，异常节点将与其他节点进行通信。简单来说，每个节点都可以帮助其他节点进行通信，单个节点失效的概率会降低。
根据ADI官网的数据，SmartMesh解决方案可以实现99.999%的数据可靠性。
再次，wBMS系统各节点采用分时通信方式，同时使用时间戳和数据重传机制，避免了多个节点一起通信造成的无序。
如果一个节点传输数据失败，它可以在下一个时间窗口尝试再次传输数据，并且它可以通过优化路径来选择更好的RF性能，以减少流量重试的次数，从而保证数据的稳定性。
如果在绿色箭头处通信失败，节点D将使用另一个通道在红色箭头处再次尝试。
在整个电池管理系统的监控中，需要同时采样电芯的电流、电压、温度等信号，并要求实时通信，这样系统算法才能更准确的计算出当前的电池状态。
为了获得更精确的测量值，SmartMesh网络架构中的每个发射机和接收机可以以团队的方式进行信道跳频，以实现频率分集，从而可以增加网络带宽，并可以同时进行多次传输。
在功耗方面，SmartMesh网络架构的功耗也低于蓝牙、Wi-Fi等通信方式，每个路由节点的功耗通常小于50 A，另外整个SmartMesh网络架构具有动态网络优化功能，可以在一定程度上降低整体功耗。
除了稳定性，电池管理系统的安全性也很重要。这个wBMS系统有许多措施来确保安全。
首先，通用汽车可以利用wBMS系统建立整车实时智能电池监控系统。该系统独立于整车系统，可以实时监控电池组的健康状态，将整个电池系统的安全风险划分为单个电池单体的预监控，随时调整模块和传感器，保证电池在车辆生命周期内的健康。
其次，如上所述，使用wBMS系统可以使电池组内部空间增加15%。利用这些来之不易的空室，在电池组内部安装了排气通道和安全阀，进一步增强了电池从模块到组级的散热能力。
奥特能平台电池系统拥有安全阀、排气通道等专利设计。
此外，wBMS系统可以对软件和电池节点进行无线重新编程，使车辆达到更好的性能。此外，ADI公司针对该系统采用了128位加密安全网格设计。整个SmartMesh网络架构中的所有流量都通过端到端加密、消息完整性检查和设备认证进行保护，防止黑客入侵，确保车辆安全。
在信息安全方面，ADI wBMS系统能够满足相关国际信息安全法规的要求。同时，ADI和GM进行了多次仿真和模拟测试，以保证无线通信的性能、稳定性和抗干扰能力。
通用汽车基于ADI的wBMS无线BMS技术，其系统最终达到了ASIL-D安全标准。
第三，提高生产效率，把车变成一堆木头。wBMS不仅可以增加车辆寿命、提高安全性和降低成本，还可以显著帮助车企的整个生产流程。
1.提高电池组的生产效率。
车东之前参观上汽通用Otergy超级工厂时发现，工厂内所有电池都是无线检查——比传统的插电式检查更省工省时。
据上汽通用的技术人员介绍，工厂里的机械臂大多都装有无线通信模块，可以与电池组内部的wBMS模块进行通信。在抓取电池组进行下一步操作之前，工厂中的机械臂通过无线方式读取电池组的所有信息，避免了传统电池测试连接器插拔造成的零件损坏，提高了装配质量和流水线生产效率，节约了人力成本。这也是wBMS不仅能降低材料成本的原因。
同时，无线监控系统可以在整车上模拟电池组的真实运行状况来测试电气性能，保证每个电池组的安全性和一致性。此外，在整个试放电过程中将回收能量，多余的能量将反馈到电网中，减少生产过程中的能量损失。
利用无线通信技术测试电池模块的性能
2.提高电池组的RD效率。
由于各个模块都是无线连接的，在设计电池组时可以避免复杂的布线问题，所以使用wBMS系统的车企可以像叠木头一样灵活调整电池组的结构和大小，快速设计出不同车型的电池组。
根据大致信息，目前Otergy平台可以覆盖轿车、SUV、MPV等不同轴距、不同尺寸的产品，在国内根据不同车型的不同需求分为8模块、10模块、12模块。
电池可以垂直或水平封装成模块。
未来，除了提供不同的电池模块，Otergy平台还将提供七种驱动形式，包括三种高度集成的驱动系统和四种驱动形式，其中三种高度集成的驱动系统可分别用于前驱主电机、后驱主电机和后驱辅助电机，四种驱动形式包括前驱、后驱、经济型四驱和性能四驱。
此外，Otergy平台还可以兼容不同类型的电池，包括磷酸亚铁锂和三元锂电池。
凯迪拉克的LYRIQ底盘(上)和悍马EV底盘(下)
3.提高电池在整个生命周期中的使用效率。
对于有线BMS，电池组的状态只能在装入汽车或手动连接到测试设备后才能检查。这就导致对电池的关键数据监测不完整，比如汽车抛锚，或者拆下电池后很难随时检测出来。通过无线BMS，可以轻松检测电池在生产、运输、使用、维护、拆卸等各个环节的数据。，从而掌握电池全生命周期的完整数据，从而使二手车估价更准确，甚至电池拆解后的阶梯利用更准确，产生新的价值。
此外，这种wBMS系统还可以存储整个电池组中每个电池模块的元数据，使制造商在每辆汽车的生命周期中都有可用的云数据和机器学习技术使用数据，从而引入更合适的OTA升级。
通用汽车高压电池首席架构师安迪·奥利(Andy Oury)之前曾表示，未来客户将不必购买新车，只需升级电池组OTA即可优化电池性能。
四。ADI率先量产。恩智浦TI也将在2017年跟进。在上海举行的Electronica China展会上，ADI公司在一辆宝马i3上展示了业界首款wBMS系统，无线电池管理系统开始进入汽车领域。
ADI公司汽车电子事业部中国区高级战略及业务发展经理陈升告诉车东熙，通用汽车的OTENG纯电动平台是汽车行业第一个用于电动汽车量产的wBMS系统。
全球首款wBMS概念产品(来源:electronicsweekly)
除ADI公司外，恩智浦和德州仪器等半导体公司也在行业内布局wBMS技术。
其中，恩智浦的wBMS系统现已发展到wBMS 2.1版。相比ADI公司的WBMS系统，恩智浦选择了蓝牙低功耗技术5.0(BLE5.0)进行无线通信，具有低功耗、高性能、高可靠性的优点，最高传输速率可达2Mbps。
恩智浦的wBMS系统
此外，恩智浦wBMS系统中的每个主节点可以连接多达16个从节点，整个系统可以同时采集多达448个电池的电压数据和224个通道的温度数据。
目前德州仪器也有多种wBMS产品，和ADI的wBMS系统一样，德州仪器的wBMS系统在安全性上也达到了ASIL-D标准。
德州仪器的wBMS系统最多可以支持100个节点，每个节点的测量可以实现时间同步，每个节点的延迟小于2ms。
德州仪器WBMS结构图
在无线通信方面，德州仪器通过无线单片机实现了wBMS的无线传输。据了解，无线MCU可以提供高吞吐量、低延迟的专用时隙，防止数据丢失或损坏，测量精度也可以达到正负2毫伏的误差值。
在通信安全方面，德州仪器采用密钥交换和刷新、设备认证、128位加密等技术，保证整个系统的安全可靠。
结论:电动汽车已经进入无线时代。今年9月，继通用Otergy平台之后，ADI公司宣布与英国Lotus达成合作。双方计划在路特斯下一代轻型电动汽车架构中使用ADI公司的wBMS系统。
与有线电池管理系统相比，无线电池管理系统具有线束少、适用性强、OTA升级等优点，可以大大降低车企的RD和生产成本。
更重要的是，电池安全是电动汽车安全的重中之重，无线电池管理系统将进一步提升电动汽车的安全性和可靠性。未来，随着wBMS技术的不断普及和逐步量产，相信会有更多的车企选择这项技术，电动汽车也将进入无线时代。