汽車電氣化潮流不可逆 電池管理技術(shù)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(nèi)的有色金屬供應(yīng)。據(jù)TrendForce表示，鎳作為電動(dòng)車動(dòng)力電池制造的上游關(guān)鍵原料，在動(dòng)力電池中主要用于三元正極材料的制造，2021年全球鎳礦產(chǎn)量約為270萬(wàn)金屬噸，主要來(lái)自印度尼西亞、菲律賓和俄羅斯，其中俄羅斯鎳礦產(chǎn)量占據(jù)全球總產(chǎn)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(chǎng)滲透率正處于加速階段，且三元?jiǎng)恿﹄姵卣紦?jù)了近一半的市場(chǎng)份額，意即車用動(dòng)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(chǎn)品出口暫不受影響，然若俄烏關(guān)系持續(xù)惡化，短期內(nèi)恐影響全球鎳供應(yīng)，推升鎳價(jià)上漲，并進(jìn)一步拉升終端如電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的成本壓力。

此外，隨著新能源汽車產(chǎn)銷量的爆發(fā)，動(dòng)力電池裝機(jī)量也出現(xiàn)高速成長(zhǎng)，進(jìn)而促使電池材料的需求水漲船高。其中，正極材料作為動(dòng)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(dòng)而快速提升，預(yù)估2025年全球動(dòng)力電池對(duì)正極材料的需求量將有望突破215萬(wàn)噸。


電動(dòng)車普及轉(zhuǎn)折點(diǎn)


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

隨著全球正在經(jīng)歷著巨大的社會(huì)變革，過(guò)去幾年間塑造汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)正變得更加重要。各國(guó)政府為了解決污染問(wèn)題，以及消費(fèi)者對(duì)更綠色、更干凈和更安全的未來(lái)生活的期盼，全球都正在重新定義能源產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)，并加速推動(dòng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展。而目前看起來(lái)，電動(dòng)車的發(fā)展已經(jīng)如火如荼展開(kāi)，反而是充電基礎(chǔ)設(shè)施成為電動(dòng)車能不能普及的關(guān)鍵點(diǎn)。

目前發(fā)展電動(dòng)車面臨的挑戰(zhàn)在于找到讓電動(dòng)汽車更有利可圖的途徑。這里的癥結(jié)點(diǎn)在于，鋰離子電池組的尺寸、成本，以及消費(fèi)者對(duì)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(jīng)成為電動(dòng)汽車市場(chǎng)擴(kuò)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(jīng)成為電動(dòng)汽車市場(chǎng)擴(kuò)張的核心。
鋰離子電池是電動(dòng)車、混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力汽車的電力來(lái)源，而其中，用來(lái)保護(hù)數(shù)百個(gè)電池的電池監(jiān)控系統(tǒng)非常重要。我們知道各種電動(dòng)汽車都必須配備電池組，以提供驅(qū)動(dòng)相關(guān)牽引電機(jī)所需要的電力。這樣的電池組，根據(jù)對(duì)象是電動(dòng)車（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV），或者是插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV），其所需的電壓可能從200V到400V左右的范圍內(nèi)。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(zhì)的能量重量比。此外，鋰離子電池在多個(gè)充放電的循環(huán)中，也提供了更有效率的儲(chǔ)存容量，并且在不使用時(shí)，發(fā)生的電荷泄漏更少。與在某些高壓應(yīng)用中所使用的鎳氫電池不同之處在于，使用鋰離子技術(shù)的電池組，可以透過(guò)更少的單一電池來(lái)產(chǎn)生達(dá)到數(shù)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(duì)每個(gè)電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控與平衡，來(lái)確保使用過(guò)程的安全、提高電池性能，并延長(zhǎng)電池壽命。

保護(hù)和監(jiān)控鋰離子是有其必要的，因?yàn)殇囯x子電池曾經(jīng)有過(guò)在相對(duì)低壓的筆記本電腦中，遇到峰值電壓而過(guò)熱著火的案例。在電動(dòng)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(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果。盡管電池制造的質(zhì)量稍有提升，然而在任何電動(dòng)車的汽車應(yīng)用中，防止更高的溫度和故障條件，對(duì)于行車的安全性與可靠性仍然相當(dāng)重要。

在鋰離子電池組中，每個(gè)電池會(huì)產(chǎn)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(gè)電池串聯(lián)起來(lái)，使總電池組電壓達(dá)到數(shù)百伏的情況非常常見(jiàn)。這些電池管理系統(tǒng)中的電池，再為驅(qū)動(dòng)其交流感應(yīng)電機(jī)的直流-交流轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(jìn)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(dòng)汽車最核心組件，也就是電池與整車的關(guān)鍵組件。一般來(lái)說(shuō)，BMS是由一個(gè)主控單元和多個(gè)從屬單元所組成，從屬單元直接連接電池包（Battery Pack），進(jìn)行采集電池的電壓、電流和溫度等，至于主控單元?jiǎng)t透過(guò)CAN總線等通信等方式來(lái)管理多個(gè)從屬單元。


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

電池管理系統(tǒng)目的在于監(jiān)控和調(diào)節(jié)電池充電和放電的過(guò)程。要監(jiān)控的電池特性包括檢測(cè)電池類型、電壓、溫度、容量、充電狀態(tài)、功耗、剩余工作時(shí)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(wù)是確保電池中剩余能量的最佳利用。BMS系統(tǒng)也能保護(hù)電池免于深度放電、過(guò)壓，這是極快充電和極高放電電流的結(jié)果。在多電芯電池的應(yīng)用案例中，電池管理系統(tǒng)還提供了電芯平衡功能，來(lái)針對(duì)不同電芯的充放電需求進(jìn)行管理。

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的主要功能包括了以下幾個(gè)要項(xiàng)：
●電池保護(hù)，以防止在其安全操作區(qū)域之外進(jìn)行操作。
●透過(guò)估計(jì)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(lái)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(jìn)而優(yōu)化混合動(dòng)力（HEV）、插電式（PHEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）的行駛里程。

目前許多半導(dǎo)體大廠都推出了針對(duì)電動(dòng)車鋰離子電池所開(kāi)發(fā)的BMS系統(tǒng)。例如NXP便開(kāi)發(fā)了一款6通道電源管理IC（PMIC）來(lái)進(jìn)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(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、電動(dòng)汽車（EV）等系統(tǒng)，具備差分電池電壓和電流的ADC轉(zhuǎn)換，以及庫(kù)侖計(jì)數(shù)和溫度測(cè)量等功能。MC33772電池控制器解決方案也支持汽車產(chǎn)業(yè)的ISO 26262 SafeAssure功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

至于英飛凌也推出了一款專為鋰離子電池組設(shè)計(jì)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(dòng)車、以及消費(fèi)者的電動(dòng)自行車BMS等。TLE9012DQU實(shí)現(xiàn)四個(gè)主要功能，包括電池電壓測(cè)量、溫度測(cè)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(yùn)行，從而保護(hù)電池周圍人員的安全。

意法半導(dǎo)體（ST）也針對(duì)汽車應(yīng)用苛刻的設(shè)計(jì)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(duì)多達(dá)14節(jié)串聯(lián)電池的最高精度測(cè)量，并嵌入復(fù)雜的電池監(jiān)控和診斷功能。它還符合嚴(yán)格的汽車安全完整性等級(jí)(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(chǔ)IC、VIPower智能開(kāi)關(guān)、廣泛的保護(hù)組件，和用于數(shù)據(jù)記錄的汽車EEPROM一起，提供更為全面而靈活的解決方案，來(lái)支持汽車等級(jí)的電池管理系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)
電動(dòng)車的發(fā)展已經(jīng)是不可逆的潮流。特別是在電動(dòng)化與電氣化之后，加上自動(dòng)化的自駕車演進(jìn)，汽車整體已可視為是一個(gè)平臺(tái)。而車商也持續(xù)改善功能、更新安全性，并提供創(chuàng)新服務(wù)。面對(duì)未來(lái)，軟件升級(jí)能力和硬件整合，對(duì)于電動(dòng)汽車提升車輛效能，延長(zhǎng)行駛里程，將會(huì)變得更為重要。