汽車電氣化潮流不可逆 電池管理技術跟上腳步

近日俄烏沖突升溫，除了天然氣及原油大漲，也可能沖擊包括鋁、鎳、銅等在內的有色金屬供應。據TrendForce表示，鎳作為電動車動力電池制造的上游關鍵原料，在動力電池中主要用于三元正極材料的制造，2021年全球鎳礦產量約為270萬金屬噸，主要來自印度尼西亞、菲律賓和俄羅斯，其中俄羅斯鎳礦產量占據全球總產量約9%（包括了低、中、高品位?），位居第三名。

目前新能源汽車市場滲透率正處于加速階段，且三元動力電池占據了近一半的市場份額，意即車用動力電池所需的上游原料鎳需求將愈加旺盛，盡管現(xiàn)階段俄羅斯的鎳產品出口暫不受影響，然若俄烏關系持續(xù)惡化，短期內恐影響全球鎳供應，推升鎳價上漲，并進一步拉升終端如電動車產業(yè)的成本壓力。

此外，隨著新能源汽車產銷量的爆發(fā)，動力電池裝機量也出現(xiàn)高速成長，進而促使電池材料的需求水漲船高。其中，正極材料作為動力電池需求最大的一類原材料，其出貨量受益于新能源汽車的拉動而快速提升，預估2025年全球動力電池對正極材料的需求量將有望突破215萬噸。


電動車普及轉折點


 
圖一 : 發(fā)展電動車面臨的挑戰(zhàn)，在于找到讓電動汽車更有利可圖的途徑。

隨著全球正在經歷著巨大的社會變革，過去幾年間塑造汽車產業(yè)發(fā)展的大趨勢正變得更加重要。各國政府為了解決污染問題，以及消費者對更綠色、更干凈和更安全的未來生活的期盼，全球都正在重新定義能源產業(yè)的目標，并加速推動電動汽車市場的發(fā)展。而目前看起來，電動車的發(fā)展已經如火如荼展開，反而是充電基礎設施成為電動車能不能普及的關鍵點。

目前發(fā)展電動車面臨的挑戰(zhàn)在于找到讓電動汽車更有利可圖的途徑。這里的癥結點在于，鋰離子電池組的尺寸、成本，以及消費者對單次充電后，續(xù)航里程的接受程度之間的平衡。因此，鋰離子電池組的單位成本和制造能力，已經成為電動汽車市場擴張的核心。


鋰離子電池
鋰離子電池組的單位成本和制造能力，已經成為電動汽車市場擴張的核心。
鋰離子電池是電動車、混合動力車和插電式混合動力汽車的電力來源，而其中，用來保護數百個電池的電池監(jiān)控系統(tǒng)非常重要。我們知道各種電動汽車都必須配備電池組，以提供驅動相關牽引電機所需要的電力。這樣的電池組，根據對象是電動車（EV）、混合動力電動汽車（HEV），或者是插電式混合動力汽車（PHEV），其所需的電壓可能從200V到400V左右的范圍內。為了提供所需的電壓和電流，目前最主流的選擇是鋰離子（Li-ion）可充電電池。

鋰離子電池比傳統(tǒng)使用的鎳氫電池，具有更優(yōu)質的能量重量比。此外，鋰離子電池在多個充放電的循環(huán)中，也提供了更有效率的儲存容量，并且在不使用時，發(fā)生的電荷泄漏更少。與在某些高壓應用中所使用的鎳氫電池不同之處在于，使用鋰離子技術的電池組，可以透過更少的單一電池來產生達到數百伏特的電壓。然而，使用鋰離子電池也有其挑戰(zhàn)。例如必須對每個電池進行適當的監(jiān)控與平衡，來確保使用過程的安全、提高電池性能，并延長電池壽命。

保護和監(jiān)控鋰離子是有其必要的，因為鋰離子電池曾經有過在相對低壓的筆記本電腦中，遇到峰值電壓而過熱著火的案例。在電動汽車這種較高的工作電壓下，發(fā)生類似這種狀況的故障會導致災難性的結果。盡管電池制造的質量稍有提升，然而在任何電動車的汽車應用中，防止更高的溫度和故障條件，對于行車的安全性與可靠性仍然相當重要。

在鋰離子電池組中，每個電池會產生3.0V至3.9V的電壓，這取決于其充電與放電的狀態(tài)而定。將100個電池串聯(lián)起來，使總電池組電壓達到數百伏的情況非常常見。這些電池管理系統(tǒng)中的電池，再為驅動其交流感應電機的直流-交流轉換器進行供電。使用高電池電壓，好處是可以降低平均電流，從而減少功率損耗，并允許使用更小直徑的電纜，進而可以降低整體車輛的重量。


電池管理系統(tǒng)（BMS）
電池管理系統(tǒng)（Battery Management System；BMS），是連接電動汽車最核心組件，也就是電池與整車的關鍵組件。一般來說，BMS是由一個主控單元和多個從屬單元所組成，從屬單元直接連接電池包（Battery Pack），進行采集電池的電壓、電流和溫度等，至于主控單元則透過CAN總線等通信等方式來管理多個從屬單元。


 
圖二 : 電池管理系統(tǒng)目的在于監(jiān)控和調節(jié)電池充電和放電過程。（source：st.com）

電池管理系統(tǒng)目的在于監(jiān)控和調節(jié)電池充電和放電的過程。要監(jiān)控的電池特性包括檢測電池類型、電壓、溫度、容量、充電狀態(tài)、功耗、剩余工作時間、充電周期以及更多特性等。也因此，可以知道電池管理系統(tǒng)的任務是確保電池中剩余能量的最佳利用。BMS系統(tǒng)也能保護電池免于深度放電、過壓，這是極快充電和極高放電電流的結果。在多電芯電池的應用案例中，電池管理系統(tǒng)還提供了電芯平衡功能，來針對不同電芯的充放電需求進行管理。

電動汽車電池管理系統(tǒng)的主要功能包括了以下幾個要項：
●電池保護，以防止在其安全操作區(qū)域之外進行操作。
●透過估計充電和放電期間的電池組充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）來監(jiān)控電池。
●電池優(yōu)化得益于電池平衡，可提高電池壽命和容量，進而優(yōu)化混合動力（HEV）、插電式（PHEV）和純電動汽車（BEV）的行駛里程。

目前許多半導體大廠都推出了針對電動車鋰離子電池所開發(fā)的BMS系統(tǒng)。例如NXP便開發(fā)了一款6通道電源管理IC（PMIC）來進行鋰離子的電池控制。這款MC33772電池單元控制器適合用于混合動力電動汽車（HEV）、電動汽車（EV）等系統(tǒng)，具備差分電池電壓和電流的ADC轉換，以及庫侖計數和溫度測量等功能。MC33772電池控制器解決方案也支持汽車產業(yè)的ISO 26262 SafeAssure功能安全標準。

至于英飛凌也推出了一款專為鋰離子電池組設計的多通道電池監(jiān)控和平衡 IC TLE9012DQU，適用于任何類型的MHEV、HEV、PHEV和BEV電動車、以及消費者的電動自行車BMS等。TLE9012DQU實現(xiàn)四個主要功能，包括電池電壓測量、溫度測量、電池平衡和與主電池控制器的隔離通信。TLE9012DQU也提供了必要的診斷工具以確保正常運行，從而保護電池周圍人員的安全。

意法半導體（ST）也針對汽車應用苛刻的設計要求，推出了電池管理系統(tǒng)解決方案，這是基于新型高度整合的電池管理IC L9963E，及其配套的隔離式收發(fā)器L9963T，這款解決方案能夠在單向或雙向鏈路配置中，提供對多達14節(jié)串聯(lián)電池的最高精度測量，并嵌入復雜的電池監(jiān)控和診斷功能。它還符合嚴格的汽車安全完整性等級(ASIL) D合規(guī)性。這款方案也與ST的32位汽車MCU 系列、電源管理和系統(tǒng)基礎IC、VIPower智能開關、廣泛的保護組件，和用于數據記錄的汽車EEPROM一起，提供更為全面而靈活的解決方案，來支持汽車等級的電池管理系統(tǒng)。

結語
電動車的發(fā)展已經是不可逆的潮流。特別是在電動化與電氣化之后，加上自動化的自駕車演進，汽車整體已可視為是一個平臺。而車商也持續(xù)改善功能、更新安全性，并提供創(chuàng)新服務。面對未來，軟件升級能力和硬件整合，對于電動汽車提升車輛效能，延長行駛里程，將會變得更為重要。