電動汽車BMS設計影響二次利用價值主張

看看幾乎所有關于電動汽車 （EV） 電池壽命的討論，據稱在法定保修期、更換成本和行業回收貴重材料的能力方面存在苦惱。不過，大多數“擔憂”來自反電動汽車的“環保主義者”。

“聯邦法律要求汽車制造商為 EV 和混合動力電池提供至少 8 年或 100,000 英里的保修。加州要求對電動汽車和混合動力電池提供 10 年、150,000 英里的保修。—Caredge.com

盡管立法者努力建立消費者信心，但 iPhone Dunning-Kruger 效應人群通過體驗延伸在社交媒體上傳播關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。壽命差異的關鍵不在于化學成分，而在于電池的管理方式——通過電池管理系統 （BMS）。

BMS 監控和控制

汽車 BMS 通過監控電壓和溫度來管理并聯電池組，并控制充電速率、電池平衡、放電速率和電池溫度。

在大多數汽車應用中，BMS 的熱管理（即電池溫度）是通過控制液體冷卻系統（包括泵、熱交換器以及電池加熱器和冷卻器）來完成的。BMS 的目標是最大限度地減少電池之間的溫度分布，這直接導致電池單元中的化學反應速率或多或少匹配。

同樣，BMS 監控并聯電池組之間的電壓，以確保組成電池的這些電池組的串聯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行放電，以降低電壓以匹配它們在幾毫伏內。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上做出了一項設計決策，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。

圖1. 日產聆風 24 kWh 電池組，展示了電池組中的軟包電芯、模塊和模塊組件。（來源：“鋰離子電池在鐵路客車供電中的應用及系統開發的關鍵途徑”）

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航里程。這是一個經過深思熟慮的設計決定，而不是導致電動汽車銷量最多的設計缺陷，直到特斯拉 Model 3 首次亮相后很久。

有趣的是，Leaf 使用了 CHADeMo 充電標準，該標準非常適合雙向充電。它可以從電網獲取電力，也可以將電力送回電網（“V2G”或車輛到電網）。

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備 （EVSE）、公共充電器還是通過車輛牽引驅動系統的能量再生進行充電。

它們可能會讓電動汽車運營商感到沮喪，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

通常根據充電循環次數，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，并且車輛的續航里程減少到新車續航里程的 80%。那輛 250 英里左右的雪佛蘭 Bolt 現在的續航里程為 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現，鋰電池的使用壽命可以延長約 50%。制造設備供應商已準備好機器，可以在不改變化學成分的情況下促進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，它仍然可以行駛 200 英里，但時鐘上還有近五十萬英里。

假設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：上次我在當地的雪佛蘭零件部門檢查時，200 美元/kWh] 電池組更換？可以說不是。

不過，2011 款日產 Leaf 的初始續航里程為 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在冬季的氣溫較低。“報廢”汽車？回收電池？

到 2020 年，大約生產了 150,000 個 Leafs，這是大量的“有毒鋰進入垃圾填埋場”，正如 Dunning-Kruger 人群出于對從地下提取更多鋰的假裝擔憂而在社交媒體上發布的那樣。

現實情況是，這些汽車的價格約為 4,000 美元，“總”車輛的保險打撈拍賣費用約為其一半，導致電池成本為 150-300 美元/千瓦時，這還不包括通過出售驅動和車身部件來收回的資金。在加利福尼亞市場，Facebook Marketplace 有免費的、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 （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生的電池和驅動部件的價格在 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供應充足。

考慮到電動汽車回收組件價值的經濟性，將功能性 >80% SOH 電池送入回收商的碎紙機以回收戰略材料，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“環境”問題上犯錯的地方，他們擔心電動汽車電池最終被填埋，或者對正在生產的汽車電池數量的回收能力不足。是的，需要電動汽車電池的回收能力，但回收主要是產量影響、嬰兒死亡率、細胞，而不是從破舊的 300,000 英里汽車和卡車中提取的“壽命結束”細胞。

如何處理 80% SOH EV 包？

一個理性的車主只會繼續駕駛初始續航里程為 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。

假設應該有 80% 的 SOH 電池供應......距離電動汽車大步前進已經過去了 20 年，可以說是在 2017-2018 年左右，當時雪佛蘭 Bolt、Mustang Mach-E、現代、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，即企業和個人購買二手車或報廢車輛并將其拆解。就像 Burnie（新車在應用程序和遠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）。

圖2. “Burnie” 正面視圖顯示嚴重的正面碰撞損壞。電池組掉落并向前滑動（朝照相機方向）。火災破壞和遏制是顯而易見的，正面——“頂層公寓”受到了重大破壞。

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動單元，破壞了乘客艙內的中央計算機系統及其觸摸屏顯示器，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”需要將其恢復到適合上路的狀態。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 中最遠的地方）被部分燃燒（盡管仍然可以提取大約一半的功能細胞），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）。

安迪·圖魯迪克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的云母片。前面的兩個模塊有一半的單元被頂樓的火災損壞。

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）。

安迪·圖魯迪克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地工匠，他正在從頭開始手工制作一艘帶有封閉駕駛室的大型木船，能夠進行適航。它的推進系統將是......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了第二次生命的使用，而不是垃圾填埋場或破碎機。

（第二）生命的意義

Second Life 就是重新利用和再利用。它創造了一種循環經濟，最大限度地減少能源輸入和成本，以創造新事物或能力，同時能夠轉換和/或取代更糟糕的技術或問題的解決方案。

電動汽車部件（主要是驅動單元和高壓電池）的二次壽命應用之一是內燃機（ICE）轉換。從經典到笨拙，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、更清潔的運行。Electronic Design 網站上的這篇博客介紹了 DIY ICE/BEV 轉換社區用于將 ICE 轉換為 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用是電網和家庭太陽能存儲。

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，但在電網或住宅太陽能應用中使用再利用的電動汽車電池提供了一種經濟的方法，將峰值發電/最低電網價格時間轉移到峰值需求/最高電網價格時段。

前幾天一個女孩打電話給我說......“過來吧，家里沒人。”我過去了。沒有人在家。— Rodney Dangerfield

對于住宅太陽能，忽略退休人員和有幸在家工作的人，發電高峰發生在家庭成員上班或上學時;需求高峰期在晚上，電動汽車通宵充電。這種離網儲能系統傳統上是使用需要維護的深循環鉛酸電池實現的。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 電池的定價設定了標準，這讓 EV ICE/BEV 轉換社區非常懊惱。

像 secondlifestorage.com 上的黑客一樣，特設黑客團隊已經使用包括 CAN 消息欺騙/解碼在內的技術瞄準了眾多用于住宅儲能的 BEV 電池組。大多數使用 Lillygo CAN 總線到 GEN24 Modbus （RS485） 橋接電路板，將 BEV 電池的 CAN 總線信息轉換為太陽能逆變器可以理解的信息（圖 5）。

Dale's EV 維修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：

• 日產聆風

• 比亞迪 Atto 3 Lifepo4

• 捷豹 iPace

• 特斯拉

對于電網存儲，二次壽命的 EV 電池還可以將太陽能發電高峰期時間轉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 等新的電網存儲系統相比，成本降低了 70%。

不可持續的 EV 電池組設計

電動汽車電池和模塊的二次生命應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。OEM 未記錄這些消息和協議。他們似乎保留著消息，就好像讀取溫度、電流或電池組電壓、控制預充電和接觸器以及平衡電池單元是某種商業機密一樣。

有 50 個州已經頒布或正在立法維修權法律，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，“區域電源”的倡導者吹捧銅電纜的重量減輕。然而，未記錄的以太網或 CAN 總線消息與區域控制器之間的消息意味著它們會被扔進垃圾桶或被磨碎以獲取材料內容，因為無法將這些模塊重新用于二次生命應用。

許多 EV 電池模塊都有“衛星”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，它將如何被重新調整用途？它不能，因此 Ultium 之類的產品最終可能會進入回收商的碎紙機，而不是重新用于二次生命應用，例如住宅儲能、電網儲能或 ICE/BEV 轉換。更換電池的材料含量沒有任何可觀的補貼，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）模塊進行 ICE/BEV 轉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，導致保險費率上升。

不可持續設計的終極典型是電池到底盤，其中電池被粘在車輛內部的巨大鑄件中。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。

現在是狂野的西部。電池模塊的標準外形尺寸（串聯和并聯電池的排列）并不普遍。控制和傳感器讀數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、維護和收集內部模塊和組件。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用中。

半個世紀以來扼殺 Combustion

最糟糕的是，OEM 的電池系統設計壽命為 15 年，而不是重新部署到二次壽命應用的 EV 電池將看到的 40+ 年。如果使用新的形成技術來誕生鋰電池，很容易半個世紀，如果采用新宣布的鋰注射方法，則需要幾個世紀。

但沒有什么能比得上那些將電動汽車貼上“車輪上的 iPhone”標簽的勒德分子和反電動汽車團體。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”發電廠中完全取代了燃燒。