深度解析通用汽車奧特能無線電池管理系統(tǒng)及應用框圖

作為一款專門為電動汽車設計，基于滑板底盤概念的車輛平臺，奧特能的設計理念是模塊化和智能化的有機整合，目標是實現(xiàn)靈活開放的平臺架構與研發(fā)和生產(chǎn)成本的平衡。平臺涵蓋了純電動汽車的三大核心要素，即電池、電機和電控。從目前通用透露的數(shù)據(jù)來看，奧特能平臺可以提供2種電芯、2種模組、7種電池包，以及3 套動力總成系統(tǒng)組成的十多種驅(qū)動組合。不僅如此，奧特能還將傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)BMS升級為無線電池管理系統(tǒng)（wBMS），實現(xiàn)了智能電池設計。 ?

這為通用擴展其電動汽車家族帶來了相當?shù)谋憷蛢?yōu)勢。其一，電子電氣架構的融合和接口的標準化使得大量共用零件的開發(fā)成為可能，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。其二，不同車型間共用的零部件可以大大增加單一品類的采購量，根據(jù)懷特定律，可以顯著降低采購單價，并且推動供應商主動提高制造精度和質(zhì)量，簡化生產(chǎn)流程與生產(chǎn)設備，進而降低生產(chǎn)成本。最后，平臺化設計也簡化售后渠道，降低維護難度和庫存壓力。

因此，通用對奧特能平臺寄予厚望，計劃在該平臺上打造出轎車、SUV、MPV、皮卡、箱型貨車，甚至自動駕駛小巴等不同尺寸、不同檔次和不同用途的全系列電動車型。到2025年，通用將在全球推出30款以上基于奧特能平臺的車型，預計年銷量超過1百萬輛。目前已亮相的車型包括純電悍馬HUMMER EV（皮卡和SUV）、凱迪拉克Lyriq和雪佛蘭Blazer SS，分別于2021年、今年和2023年春與消費者見面。根據(jù)通用的電動車推出節(jié)奏，筆者預計奧特能平臺的銷量高峰將在2023年后出現(xiàn)，這也符合平臺核心供應商Wolfspeed所透露的營收增長曲線。

系統(tǒng)設計上的模塊化和靈活性

在整體架構上奧特能平臺具有模塊化的特性，目的是實現(xiàn)樂高式的設計。以通用給出的簡要配置方案為例，首先選用軟包電芯并根據(jù)車型的不同需求組合成單層或者雙層的高壓電池包，再選擇適當?shù)碾婒?qū)單元，就可以分布搭建出凱迪拉克Lyriq和純電悍馬（皮卡和SUV版本）兩種完全不同車型所需的電動動力總成和底盤設計。

與此同時，奧特能平臺在dash-to-axle（前軸中心點到A柱下沿的橫向距離）以及occupant couple distance (前后座椅間距)的選擇上也具有一定的設計彈性，因此奧特能平臺可以分布針對前驅(qū)或者后驅(qū)進行優(yōu)化。 ? 后驅(qū)設計時可以增加dash-to-axle的長度滿足高端車型對空間和軸距的要求，同時可以放入更多的電池模組，提高電池包的儲能能力和車輛行駛里程。 ? 而在前驅(qū)車型中則縮短dash-to-axle長度，減少電池模組用量到10個甚至更少，降低電池成本，實現(xiàn)經(jīng)濟型汽車對尺寸和成本的規(guī)劃。同時，較短的電池包尺寸可以留出較大的空間，更有效的設計前部結構載荷，在滿足結構強度要求的同時，降低材料重量和成本。 ? 當然，除了前驅(qū)和后驅(qū)外，奧特能平臺也能夠兼容全時四驅(qū)設計。 ?

奧特能平臺能兼具為前驅(qū)和后驅(qū)設計進行優(yōu)化（來源：通用汽車）

動力總成的電氣設計

按照筆者的慣例，首先關注的是奧特能平臺的高壓部分，包括電池包和電驅(qū)，前者是奧特能名字的由來，而后者的內(nèi)部代號為BEV3平臺。 ? 從通用提供的資料來看，平臺的電池包設計可以針對不同的車型快速調(diào)整。例如，電池包有單層和雙層兩種配置，大型車輛可以選用雙層電池包增加行駛里程。而在以后電池能量密度提高后，可以重新簡化為成本更低的單層設計。 ? 此外，電池包還可根據(jù)軸距允許的電池外殼尺寸在每層裝入6塊到12塊不等的電池模組，使得車輛上裝載的總電池模組數(shù)量從最少6塊（6x1層），到多達24塊（12x2層）。這意味著奧特能平臺的電池包可以適配于從經(jīng)濟型小車，跨界車，到全尺寸SUV和皮卡的全系列車型。 ?

另外，在每個電池模組的內(nèi)部，還可以通過不同的電芯串并聯(lián)方式（兩并十二串或三并八串），得到48V或者32V的輸出電壓。當不同數(shù)量的電池模組串聯(lián)后，電池包的電壓規(guī)格可以為300V, 330V，400V或者其他（因此平臺也允許奇數(shù)的電池模組串聯(lián)）。 ? 在雙層電池包的設計中，通用巧妙加入了一個專利設計的控制方式，可以把兩層電池在并聯(lián)或者串聯(lián)之間切換，使得總電壓可以為400V或者800V。這一設計已經(jīng)有了實際的應用：純電悍馬皮卡在行駛時兩層電池并聯(lián)使用，用400V電壓驅(qū)動電機，兼容其他車型的逆變器設計。而在充電時又切換串聯(lián)模式到800V，允許350kW的大功率直流快速充電。 ?

奧特能平臺允許不同的電池包配置，因此也有不同的輸出電壓（來源：通用汽車）

至于BEV3中用到的核心功率開關器件，在網(wǎng)上并沒有找到直接的料號信息。但是根據(jù)通用和碳化硅芯片供應商Wolfspeed在2021年10月聯(lián)合公布的消息，兩家公司將在碳化硅芯片上建立戰(zhàn)略合作關系并簽署保供協(xié)議（Wolfspeed Assurance of Supply Program, WS AoSP）。因此，碳化硅MOSFET模塊是平臺核心功率器件的首選，而Wolfspeed是其主要供應商。 ? 但是考慮到Wolfspeed碳化硅的產(chǎn)能和協(xié)議簽署的時間點，通用目前應該也使用了一家德國專業(yè)模塊供應商的碳化硅模塊或者IGBT模塊。 ? 在電機方面，通用為奧特能平臺或者更具體的說BEV3平臺設計了三款電機，包括用于前輪驅(qū)動應用的 180 kW永磁電機，以及前驅(qū)和后驅(qū)均可使用的 255 kW 永磁電機和 62 kW全輪驅(qū)動輔助感應電機。例如，純電悍馬皮卡上用到了三臺255kW永磁電機，一臺在前，兩臺在后。這個類似特斯拉Model S Plaid的電機布局可以提供了總計945馬力的動力，將這款全尺寸皮卡在3秒內(nèi)加速到60英里每小時。 ? 鑒于三款電機可以提供 5 種可能的電機布局，再加上奧特能平臺上電池包配置的靈活性，未來奧特能平臺可以提供多達19 種不同的電池和驅(qū)動單元組合。

電芯和電池模組

奧特能平臺的一個重要設計目的就是不依賴于單一的鋰電池供應商，甚至單一的鋰電池電芯設計。因此平臺可以兼用軟包和方型兩種封裝方式的電芯。 ? 目前純電悍馬中用到電芯是軟包型式，采用LG新能源的NCMA四元電池（尺寸為23x4x0.4英寸）。介于通用汽車和LG新能源今年初宣布投資26億美元在密西根州Lansing建立專門生產(chǎn)該類電池的合資公司Ultium Cells，奧特能平臺在北美將主要采用NCMA四元電池。 ? 而另一種方型電芯則采用NCM811高鎳配方，能量密度較622更高。同時，平臺所用的三元鋰電芯還經(jīng)過工藝優(yōu)化，正極材料通過納米級包裹加定向摻雜過渡金屬原子，比原有配方的熱穩(wěn)定性提升10%，具備低衰減、長壽命的優(yōu)勢。另外，也可使用具有成本和安全優(yōu)勢的磷酸鐵鋰電池。

電芯組合起來就構成了電池模組，這是高壓電池包結構的第二層。奧特能平臺的電池模組配置了集成式獨立液冷板以及電池管理系統(tǒng)BMS，并根據(jù)所用電芯提供2種方案供選擇——內(nèi)含12枚方型電芯或者24片軟包電芯。 ? 但是兩種模組其外尺寸和外部機械結構完全相同，所有的電子電氣連接和散熱結構也是100%通用。這意味著更換電芯種類或者電芯供應商時，電池模組之上的系統(tǒng)結構并不需要更改。因此，奧特能平臺可以做到全球推廣，但是本地采購電池。

另外，采用軟包電芯的電池模組還可以選擇在水平方向或者垂直方向上堆疊電芯。后者可以按照堆疊的電芯數(shù)量呈現(xiàn)多種電池模組高度，之后再用其搭建電池包時，可以在電池包的不同部位實現(xiàn)不同的局部厚度，這種厚薄不均的電池包稱之為“Multi-Height Packs”。 ? 這對設計高度較矮的轎跑型電動車帶來了好處，可以根據(jù)乘員所處的位置，在其下方選用高度較小的電池模組，獲得額外的車內(nèi)空間，使乘坐體驗更為舒適，同時又盡量增加了電池包的容量。

電池包和電池管理系統(tǒng)

電池模組拼合就組成了電池包。奧特能平臺提供了七種以上的電池包方案，分別使用6模組、8模組一直到24模組的組合。除了電池包構成的靈活性之外，奧特性平臺另具變革性的設計就是其無線電池管理系統(tǒng)（wBMS）。 ? 在芯片供應商ADI的幫助下，奧特能平臺可以通過事先安裝在電池模組內(nèi)部的無線通信模塊，采用2.4GHz頻帶與每個模組進行無線通信。每個模組內(nèi)對電芯的狀況進行實時監(jiān)測和控制，采集包括氣壓、電池溫度和電池電壓等數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則立即診斷直至采取緩解措施。同時，配合通用新一代 VIP（Vehicle Intelligence Platform）電子架構，電池模塊遠程配置和遠程迭代（OTA）等智能化設計成為可能。 ?

無線電池管理系統(tǒng)及其應用框圖（來源：Visteon，ADI）

除此之外，無線電池管理系統(tǒng)還簡化了電池包設計，最直接的優(yōu)化就是電池包中線束用量減少了最多90%，使得電池包減重的同時提高了電池包內(nèi)的空間利用率。電池包體積因此縮減了至多15%，獲得了能量密度的提升。 ? 其次，線束的簡化還減少了接插件的使用，不僅減少了相應的成本，也降低了這部分元件帶來的故障率。 ? 在電池包的生產(chǎn)方面，無線方案使得電池的檢測方案簡化，減少了傳統(tǒng)電池測試中接頭插拔帶來的零件損傷，提高了裝配質(zhì)量和產(chǎn)線效率。與此同時，線束的減少和無線配置可以給電池布置帶來方便，滿足系統(tǒng)模塊化和平臺化的要求。 ? 最后，當電芯性能不再適合電動汽車使用時，無線電池管理系統(tǒng)還可以幫助電池的回收和再利用。

安全防護

除了實時電池監(jiān)控帶來的安全性提升外，奧特能平臺還采用了其他措施保證電池包的安全，包括在每片電芯之間用氣凝膠作為隔熱材料建立間隔熱墻，降低了電芯之間的溫度傳遞。同時，電池上蓋內(nèi)置氣凝膠防火毯，防止熱量向乘員艙擴散。 ? 除此之外，奧特能平臺還有一系列其他的特殊設計或者專利設計，例如抑制熱擴散的“安全閥+快速排氣通道”設計，提升10%換熱效果的底部集成獨立液冷板，用于快速散熱的后置大面積防爆閥，以及在高壓元件失控后防止氣體放電的防拉弧設計。

奧特能平臺電池包中所帶的7重保護，包括實時智能監(jiān)控系統(tǒng) 、納米級航天材料氣凝膠、安全閥和排氣通道的專利設計、防拉弧設計、集成式全獨立液冷系統(tǒng)、氣凝膠防火毯（來源：通用汽車）

不僅如此，奧特能平臺在電池包的機械設計中也考慮到了電池物理防護——電池包中的橫梁和周邊結構用螺栓固定在車身結構上，打造出“井”字型的高強度電池殼體。這些剛性結構大量使用高強度和超高強度鋼，例如電池包內(nèi)的橫梁與上蓋總成側邊防護梁采用1500MPA超高強度鋼材進行加固和側邊防護，托盤總成采用1000MPA高強度鋼材加強底部防護。這些加強設計把整車的抗扭剛度提升了約45.8%。 ? 奧特能平臺電池包技術負責人Andy Oury表示，平臺電池包的加強結構在對整車安全起到促進作用的同時，其中加入的剪切板（shear panel）還使得車頂不再是滿足車身強度所必要的一部分，因此可以在奧特能平臺上實現(xiàn)如純電悍馬皮卡那樣的敞篷設計。 ?