電動汽車BMS設(shè)計影響二次利用價值主張
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看看幾乎所有關(guān)于電動汽車 （EV） 電池壽命的討論，據(jù)稱在法定保修期、更換成本和行業(yè)回收貴重材料的能力方面存在苦惱。不過，大多數(shù)“擔(dān)憂”來自反電動汽車的“環(huán)保主義者”。
本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202503/467909.htm盡管立法者努力建立消費(fèi)者信心，但 iPhone Dunning-Kruger 效應(yīng)人群通過體驗延伸在社交媒體上傳播關(guān)于電動汽車電池只能使用三四年就需要更換的錯誤信息。事實并非如此。壽命差異的關(guān)鍵不在于化學(xué)成分，而在于電池的管理方式——通過電池管理系統(tǒng) （BMS）。
BMS 監(jiān)控和控制
汽車 BMS 通過監(jiān)控電壓和溫度來管理并聯(lián)電池組，并控制充電速率、電池平衡、放電速率和電池溫度。
在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，BMS 的熱管理（即電池溫度）是通過控制液體冷卻系統(tǒng)（包括泵、熱交換器以及電池加熱器和冷卻器）來完成的。BMS 的目標(biāo)是最大限度地減少電池之間的溫度分布，這直接導(dǎo)致電池單元中的化學(xué)反應(yīng)速率或多或少匹配。
同樣，BMS 監(jiān)控并聯(lián)電池組之間的電壓，以確保組成電池的這些電池組的串聯(lián)串中的電壓變化最小。這樣做會嘗試最大限度地提高每個細(xì)胞組可以存儲的能量。它還嘗試均衡放電深度，因為第一個放電到其最小允許電壓的電池組會導(dǎo)致電池完全耗盡，盡管其他電池可能還有剩余能量。換句話說，“最弱的電池”組決定了整個電池的容量下降。
BMS 可以對選定的電池組進(jìn)行放電，以降低電壓以匹配它們在幾毫伏內(nèi)。這個過程是通過在電池組上用電阻器耗散多余的能量來完成的，或者更昂貴的是將電荷從一個電池移動到另一個電池。
最弱的電池組可能是比電池組中的兄弟姐妹更涼爽的電池。Nissan 在降低車輛成本的基礎(chǔ)上做出了一項設(shè)計決策，以消除早期 Leaf 電池組的主動（液體）冷卻（圖 1）。由于電池組在充電和放電過程中的熱失配，電池會以不同的速率降解，從而迅速將電池組容量降低到最低的公分母電池。
因此，二手 Leaf 的成本非常低，通常由于電池組加速降解而損失了一半的續(xù)航里程。這是一個經(jīng)過深思熟慮的設(shè)計決定，而不是導(dǎo)致電動汽車銷量最多的設(shè)計缺陷，直到特斯拉 Model 3 首次亮相后很久。
有趣的是，Leaf 使用了 CHADeMo 充電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)非常適合雙向充電。它可以從電網(wǎng)獲取電力，也可以將電力送回電網(wǎng)（“V2G”或車輛到電網(wǎng)）。
電動汽車中的 BMS 用于管理電池的使用壽命，但它對車輛作員的主要可見性是預(yù)測范圍——它是電動汽車中的電量計。BMS 還確定電池的最大充電速率，無論是通過電動汽車供電設(shè)備 （EVSE）、公共充電器還是通過車輛牽引驅(qū)動系統(tǒng)的能量再生進(jìn)行充電。
它們可能會讓電動汽車運(yùn)營商感到沮喪，因為他們在寒冷的天氣里看到充電率顯著降低。BMS 限制低溫作期間的充電速率，以防止電池因鍍鋰而損壞。BMS 還限制了極低溫度下的放電率，再次在 EV 的信息屏幕上顯示為“功率降低”警告。所有這些都是為了延長電池的使用壽命并提供最大的允許車輛性能。
延長電池壽命的推動力
通常根據(jù)充電循環(huán)次數(shù)，電動汽車電池的能量容量將不可避免地下降到其嬰兒 kWh 額定值的 80%。電池仍然功能齊全;只是最大電壓更低，能量容量更低，并且車輛的續(xù)航里程減少到新車?yán)m(xù)航里程的 80%。那輛 250 英里左右的雪佛蘭 Bolt 現(xiàn)在的續(xù)航里程為 200 英里，可能在 250,000 到 300,000 英里左右......他沒死，吉姆。
最近在電池制造方式方面也取得了發(fā)現(xiàn)，鋰電池的使用壽命可以延長約 50%。制造設(shè)備供應(yīng)商已準(zhǔn)備好機(jī)器，可以在不改變化學(xué)成分的情況下促進(jìn)延長使用壽命電池的制造。那輛雪佛蘭，如果配備了更新的編隊技術(shù)，它仍然可以行駛 200 英里，但時鐘上還有近五十萬英里。
假設(shè)的五十萬英里雪佛蘭中的電池是否需要更換 ~13,000 美元 [編者注：上次我在當(dāng)?shù)氐难┓鹛m零件部門檢查時，200 美元/kWh] 電池組更換？可以說不是。
不過，2011 款日產(chǎn) Leaf 的初始續(xù)航里程為 84 英里，配備 24 kWh 電池組。由于熱管理選擇，它的快速退化將導(dǎo)致大約 60 英里的航程，在溫暖的天氣里，容量減少 70%。因此，它在美國幾乎毫無用處，那里的平均通勤距離為 41 英里，而且該國大部分地區(qū)在冬季的氣溫較低。“報廢”汽車？回收電池？
到 2020 年，大約生產(chǎn)了 150,000 個 Leafs，這是大量的“有毒鋰進(jìn)入垃圾填埋場”，正如 Dunning-Kruger 人群出于對從地下提取更多鋰的假裝擔(dān)憂而在社交媒體上發(fā)布的那樣。
現(xiàn)實情況是，這些汽車的價格約為 4,000 美元，“總”車輛的保險打撈拍賣費(fèi)用約為其一半，導(dǎo)致電池成本為 150-300 美元/千瓦時，這還不包括通過出售驅(qū)動和車身部件來收回的資金。在加利福尼亞市場，F(xiàn)acebook Marketplace 有免費(fèi)的、帶電池的 Leaf 列表。Leaf 電池模塊和電池組可從中國獲得，作為更高容量的替代品。
其他具有更高健康狀態(tài) （SOH） 電池的液冷電動汽車作為二手功能性汽車購買太昂貴了。然而，總車輛的保險拍賣產(chǎn)生的電池和驅(qū)動部件的價格在 5,000 美元之間（在本文頂部的促銷圖片中保險拍賣中的汽車“Burnie”）到 20,000 美元可重建的殘骸。
在保險拍賣中，一輛雪佛蘭 Bolt 的總價值約為 10 美元，這與二手 Bolt 的成本大致相同——算上驅(qū)動單元、門、面板和其他組件的成本回收。電池本身的成本約為 100 美元/kWh，是新電池組成本的一半。
所以，這里有一個神話需要打破：新電池組不是 13 美元，而是 8,000 美元，因為二手電池組的價值為 80% SOH （53 kWh）。一輛 3 到 4 年車齡的 Bolt 的市場價值在 9,000 美元到 13,000 美元之間，這要歸功于二手電動汽車的 4,000 美元稅收抵免，很容易看出 6,500 美元的電池組和 3,000 美元的傳動系統(tǒng)作為殘值如何等同于一輛只有 3,000 美元損壞的總汽車。這意味著來自打撈場和保險拍賣的電動汽車電池和傳動系統(tǒng)供應(yīng)充足。
考慮到電動汽車回收組件價值的經(jīng)濟(jì)性，將功能性 >80% SOH 電池送入回收商的碎紙機(jī)以回收戰(zhàn)略材料，包括鋰、鎳、銅、鋁、錳、鈷等，這將是瘋狂的。
這又是反電動汽車人群在“環(huán)境”問題上犯錯的地方，他們擔(dān)心電動汽車電池最終被填埋，或者對正在生產(chǎn)的汽車電池數(shù)量的回收能力不足。是的，需要電動汽車電池的回收能力，但回收主要是產(chǎn)量影響、嬰兒死亡率、細(xì)胞，而不是從破舊的 300,000 英里汽車和卡車中提取的“壽命結(jié)束”細(xì)胞。
如何處理 80% SOH EV 包？
一個理性的車主只會繼續(xù)駕駛初始續(xù)航里程為 250-300 英里的電動汽車。在 80% SOH 時，車輛充電仍可行駛 200-240 英里，里程表上可行駛約 300,000 英里。在 70% 時，該范圍會下降到 175 到 210 英里。我們不要忘記，美國的平均往返通勤時間為 41 英里，因此在溫暖的氣候下，20% 的 SOH EV 平均仍然可以使用是有爭議的。
但是，每年一次，600 英里的奶奶家之旅，這需要以 13 美元的價格更換日常通勤車的電池......考慮到這輛車可以以最少的支出再行駛 300,000 英里，這并非不合理。
假設(shè)應(yīng)該有 80% 的 SOH 電池供應(yīng)......距離電動汽車大步前進(jìn)已經(jīng)過去了 20 年，可以說是在 2017-2018 年左右，當(dāng)時雪佛蘭 Bolt、Mustang Mach-E、現(xiàn)代、Veedubs 等加入了 Leaf 和 Model S/X/3 的行列。所以，顯然，從 2037 年左右開始，將出現(xiàn)一股廢舊電池的浪潮，這要歸功于奶奶距離她的后代有 6 個小時的寧靜車程。是的，2037 年。對于回收存儲量為 53 kWh 的電池的粉絲來說，我們距離需要這些回收廠還有十幾年的時間。
因此，未來幾年，廢舊電動汽車電池、模塊和電池的主要來源將從廢棄的車輛中回收。電動汽車電池組件的主要來源將是回收公司，盡管將存在一個家庭手工業(yè)，即企業(yè)和個人購買二手車或報廢車輛并將其拆解。就像 Burnie（新車在應(yīng)用程序和遠(yuǎn)程信息處理中會按名稱識別，那么為什么不呢？）是因為其燒毀的電池組（圖 2）。
火化后有第二次生命嗎？
“Burnie”的購買賭注是它以極高的速度撞擊的桿子侵入汽車，在那里它取出了前驅(qū)動單元，破壞了乘客艙內(nèi)的中央計算機(jī)系統(tǒng)及其觸摸屏顯示器，并移動和壓縮了電池模塊的前“頂樓”，將它們點燃成大火，燒毀了電池頂樓（兩個電池模塊的堆棧與平面并排）包中其余模塊的排列）。不過，它的電池組中仍然有功能齊全的電池模塊。
然而，賭注被后驅(qū)動單元及其兩個合金輪轂、后四分之一面板和獵鷹翼門的價值所對沖;第二輛 8,000 英里的 Model X“Spinout”需要將其恢復(fù)到適合上路的狀態(tài)。Burnie 的 16 個模塊中有 12 個沒有被大火燒傷。靠近前面的兩個模塊（圖 3 中最遠(yuǎn)的地方）被部分燃燒（盡管仍然可以提取大約一半的功能細(xì)胞），兩個前堆疊的“頂樓”模塊被燃燒，只留下焦炭和燒焦的金屬（同樣是圖 2）。
3. 從后方看到 Burnie 的背包，電池倉蓋被剝落。電池盒中 14 個可見的電池模塊隔間中，每個隔間都有一個用于熱保護(hù)的云母片。前面的兩個模塊有一半的單元被頂樓的火災(zāi)損壞。
提取了 12 個華麗、功能齊全的電池模塊，每個 5.3 kWh，電壓匹配在 10 mV 左右（電壓變化在 Harbor Freight 儀表中，而不是電池模塊中）（圖 4）。
4. 收獲后，“Spinout”艙口中的 12 個原始和功能模塊。
這些隨后以 ~160 美元/千瓦時的價格賣給了當(dāng)?shù)毓そ常趶念^開始手工制作一艘?guī)в蟹忾]駕駛室的大型木船，能夠進(jìn)行適航。它的推進(jìn)系統(tǒng)將是......電。我在車上花了兩倍的錢，仍然有四分之一面板、用于 Spinout 的 Falcon Wing 門、后驅(qū)動單元、一個非常高容量的車載 HV 電池充電器和一對花哨的 schmancy 合金輪轂，所有這些都在未來的項目中恢復(fù)了第二次生命的使用，而不是垃圾填埋場或破碎機(jī)。
（第二）生命的意義
Second Life 就是重新利用和再利用。它創(chuàng)造了一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)，最大限度地減少能源輸入和成本，以創(chuàng)造新事物或能力，同時能夠轉(zhuǎn)換和/或取代更糟糕的技術(shù)或問題的解決方案。
電動汽車部件（主要是驅(qū)動單元和高壓電池）的二次壽命應(yīng)用之一是內(nèi)燃機(jī)（ICE）轉(zhuǎn)換。從經(jīng)典到笨拙，電動汽車改裝為 ICE 汽車賦予了新的生命、更好的性能以及更便宜、更清潔的運(yùn)行。Electronic Design 網(wǎng)站上的這篇博客介紹了 DIY ICE/BEV 轉(zhuǎn)換社區(qū)用于將 ICE 轉(zhuǎn)換為 BEV（電池電動汽車）的一些方法。
目前，BEV 電池最大的二次壽命應(yīng)用是電網(wǎng)和家庭太陽能存儲。
被峰值需求激怒
盡管特斯拉和通用汽車等公司提供住宅儲能解決方案，但在電網(wǎng)或住宅太陽能應(yīng)用中使用再利用的電動汽車電池提供了一種經(jīng)濟(jì)的方法，將峰值發(fā)電/最低電網(wǎng)價格時間轉(zhuǎn)移到峰值需求/最高電網(wǎng)價格時段。
對于住宅太陽能，忽略退休人員和有幸在家工作的人，發(fā)電高峰發(fā)生在家庭成員上班或上學(xué)時;需求高峰期在晚上，電動汽車通宵充電。這種離網(wǎng)儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)上是使用需要維護(hù)的深循環(huán)鉛酸電池實現(xiàn)的。它們在充電過程中還會因氫氣而造成爆炸危險。這些鉛電池的定價為二次壽命 BEV 電池的定價設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)，這讓 EV ICE/BEV 轉(zhuǎn)換社區(qū)非常懊惱。
像 secondlifestorage.com 上的黑客一樣，特設(shè)黑客團(tuán)隊已經(jīng)使用包括 CAN 消息欺騙/解碼在內(nèi)的技術(shù)瞄準(zhǔn)了眾多用于住宅儲能的 BEV 電池組。大多數(shù)使用 Lillygo CAN 總線到 GEN24 Modbus （RS485） 橋接電路板，將 BEV 電池的 CAN 總線信息轉(zhuǎn)換為太陽能逆變器可以理解的信息（圖 5）。
5. Lilygo 板將 Nissan Leaf 電池組橋接到 Fronius Gen24 太陽能逆變器。EGMP 800-V EV 電池平臺的解決方案，如起亞 EV5/6/9、現(xiàn)代 Ioniq 5/6 和 Genesis GV60，除了 Lillygo 板之外，還需要一個 CAN-FD 接口。該解決方案在過去一年中已作為開源共享。
雖然不是一份完整的清單，但除了 EGMP 電池平臺外，一些可用于住宅儲能的 BEV 電池還包括：
對于電網(wǎng)存儲，二次壽命的 EV 電池還可以將太陽能發(fā)電高峰期時間轉(zhuǎn)移到夜間需求高峰期。B2U 和 Moment Energy 等公司正在將 BEV 電池重新用于集裝箱中，聲稱與特斯拉的 Megapack 等新的電網(wǎng)存儲系統(tǒng)相比，成本降低了 70%。
不可持續(xù)的 EV 電池組設(shè)計
電動汽車電池和模塊的二次生命應(yīng)用源于個人的專注和無私努力，他們提供的解決方案能夠通過 CAN 總線控制和讀取電池狀態(tài)。OEM 未記錄這些消息和協(xié)議。他們似乎保留著消息，就好像讀取溫度、電流或電池組電壓、控制預(yù)充電和接觸器以及平衡電池單元是某種商業(yè)機(jī)密一樣。
有 50 個州已經(jīng)頒布或正在立法維修權(quán)法律，立法者尚未意識到汽車模塊通信在某種程度上是專有的。
例如，“區(qū)域電源”的倡導(dǎo)者吹捧銅電纜的重量減輕。然而，未記錄的以太網(wǎng)或 CAN 總線消息與區(qū)域控制器之間的消息意味著它們會被扔進(jìn)垃圾桶或被磨碎以獲取材料內(nèi)容，因為無法將這些模塊重新用于二次生命應(yīng)用。
許多 EV 電池模塊都有“衛(wèi)星”板，這些板使用電流隔離與電池組中的“主 BMS”板通信，從而形成傳感器或衛(wèi)星板布線的老鼠窩。解決方案？讓我們改用 RF 通信。糟糕，它可能會被黑客入侵，所以讓我們加密進(jìn)出電池模塊的鏈接。
如果一個模塊使用加密，它將如何被重新調(diào)整用途？它不能，因此 Ultium 之類的產(chǎn)品最終可能會進(jìn)入回收商的碎紙機(jī)，而不是重新用于二次生命應(yīng)用，例如住宅儲能、電網(wǎng)儲能或 ICE/BEV 轉(zhuǎn)換。更換電池的材料含量沒有任何可觀的補(bǔ)貼，這與電池不同，除了其最大儲能水平耗盡 20% 到 30% 之外，它仍然功能齊全，如果即使是從像 Burnie 這樣的總毀車輛中回收這么多。
還有一些狂野的電池到電池組封裝方案，其中將大量電池粘在冷卻板上，如果電池組由其控制連接器控制，冷卻板仍然可以工作，但為其他外形尺寸重建電池組，例如通過重新排列電池或（不存在的）模塊進(jìn)行 ICE/BEV 轉(zhuǎn)換所需的電池組是不可能的。這降低了背包在打撈時的價值，導(dǎo)致保險費(fèi)率上升。
不可持續(xù)設(shè)計的終極典型是電池到底盤，其中電池被粘在車輛內(nèi)部的巨大鑄件中。使用這種包裝方案，住宅存儲需要將特斯拉 Model 3 掛在車庫墻上。
現(xiàn)在是狂野的西部。電池模塊的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸（串聯(lián)和并聯(lián)電池的排列）并不普遍。控制和傳感器讀數(shù)的消息要么是加密的，要么是未記錄的。電池組的蓋子通常用粘合劑粘在上面，以防止輕松維修、維護(hù)和收集內(nèi)部模塊和組件。OEM 沒有理由不記錄車輛中模塊的 CAN 消息傳遞，以便這些模塊可以重新部署到二次生命應(yīng)用中。
半個世紀(jì)以來扼殺 Combustion
最糟糕的是，OEM 的電池系統(tǒng)設(shè)計壽命為 15 年，而不是重新部署到二次壽命應(yīng)用的 EV 電池將看到的 40+ 年。如果使用新的形成技術(shù)來誕生鋰電池，很容易半個世紀(jì)，如果采用新宣布的鋰注射方法，則需要幾個世紀(jì)。
但沒有什么能比得上那些將電動汽車貼上“車輪上的 iPhone”標(biāo)簽的勒德分子和反電動汽車團(tuán)體。這個類比使每輛未出廠的電動汽車的儲能壽命縮短了 40 年——儲能不僅在 ICE 汽車中，而且在燃燒甲烷的“峰值”發(fā)電廠中完全取代了燃燒。
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