汽車(chē)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、銅等在內的有色金屬供應。據TrendForce表示，鎳作為電動(dòng)車(chē)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?lài)?，主要?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(chē)市場(chǎng)滲透率正處于加速階段，且三元動(dòng)力電池占據了近一半的市場(chǎng)份額，意即車(chē)用動(dòng)力電池所需的上游原料鎳需求將愈加旺盛，盡管現階段俄羅斯的鎳產(chǎn)品出口暫不受影響，然若俄烏關(guān)系持續惡化，短期內恐影響全球鎳供應，推升鎳價(jià)上漲，并進(jìn)一步拉升終端如電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的成本壓力。

此外，隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的爆發(fā)，動(dòng)力電池裝機量也出現高速成長(cháng)，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(lèi)原材料，其出貨量受益于新能源汽車(chē)的拉動(dòng)而快速提升，預估2025年全球動(dòng)力電池對正極材料的需求量將有望突破215萬(wàn)噸。


電動(dòng)車(chē)普及轉折點(diǎn)


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

隨著(zhù)全球正在經(jīng)歷著(zhù)巨大的社會(huì )變革，過(guò)去幾年間塑造汽車(chē)產(chǎn)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(wèn)題，以及消費者對更綠色、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，并加速推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展。而目前看起來(lái)，電動(dòng)車(chē)的發(fā)展已經(jīng)如火如荼展開(kāi)，反而是充電基礎設施成為電動(dòng)車(chē)能不能普及的關(guān)鍵點(diǎn)。

目前發(fā)展電動(dòng)車(chē)面臨的挑戰在于找到讓電動(dòng)汽車(chē)更有利可圖的途徑。這里的癥結點(diǎn)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(chē)市場(chǎng)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(jīng)成為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)擴張的核心。
鋰離子電池是電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的電力來(lái)源，而其中，用來(lái)保護數百個(gè)電池的電池監控系統非常重要。我們知道各種電動(dòng)汽車(chē)都必須配備電池組，以提供驅動(dòng)相關(guān)牽引電機所需要的電力。這樣的電池組，根據對象是電動(dòng)車(chē)（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV），或者是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（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)生達到數百伏特的電壓。然而，使用鋰離子電池也有其挑戰。例如必須對每個(gè)電池進(jìn)行適當的監控與平衡，來(lái)確保使用過(guò)程的安全、提高電池性能，并延長(cháng)電池壽命。

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

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)，使總電池組電壓達到數百伏的情況非常常見(jiàn)。這些電池管理系統中的電池，再為驅動(dòng)其交流感應電機的直流-交流轉換器進(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(chē)輛的重量。


電池管理系統（BMS）
電池管理系統（Battery Management System；BMS），是連接電動(dòng)汽車(chē)最核心組件，也就是電池與整車(chē)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，至于主控單元則透過(guò)CAN總線(xiàn)等通信等方式來(lái)管理多個(gè)從屬單元。


 
圖二 : 電池管理系統目的在于監控和調節電池充電和放電過(guò)程。（source：st.com）

電池管理系統目的在于監控和調節電池充電和放電的過(guò)程。要監控的電池特性包括檢測電池類(lèi)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的任務(wù)是確保電池中剩余能量的最佳利用。BMS系統也能保護電池免于深度放電、過(guò)壓，這是極快充電和極高放電電流的結果。在多電芯電池的應用案例中，電池管理系統還提供了電芯平衡功能，來(lái)針對不同電芯的充放電需求進(jìn)行管理。

電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的主要功能包括了以下幾個(gè)要項：
●電池保護，以防止在其安全操作區域之外進(jìn)行操作。
●透過(guò)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(lái)監控電池。
●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(chē)（BEV）的行駛里程。

目前許多半導體大廠(chǎng)都推出了針對電動(dòng)車(chē)鋰離子電池所開(kāi)發(fā)的BMS系統。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(chē)（HEV）、電動(dòng)汽車(chē)（EV）等系統，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(chē)產(chǎn)業(yè)的ISO 26262 SafeAssure功能安全標準。

至于英飛凌也推出了一款專(zhuān)為鋰離子電池組設計的多通道電池監控和平衡 IC TLE9012DQU，適用于任何類(lèi)型的MHEV、HEV、PHEV和BEV電動(dòng)車(chē)、以及消費者的電動(dòng)自行車(chē)BMS等。TLE9012DQU實(shí)現四個(gè)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?chē)藛T的安全。

意法半導體（ST）也針對汽車(chē)應用苛刻的設計要求，推出了電池管理系統解決方案，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節串聯(lián)電池的最高精度測量，并嵌入復雜的電池監控和診斷功能。它還符合嚴格的汽車(chē)安全完整性等級(ASIL) D合規性。這款方案也與ST的32位汽車(chē)MCU 系列、電源管理和系統基礎IC、VIPower智能開(kāi)關(guān)、廣泛的保護組件，和用于數據記錄的汽車(chē)EEPROM一起，提供更為全面而靈活的解決方案，來(lái)支持汽車(chē)等級的電池管理系統。

結語(yǔ)
電動(dòng)車(chē)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(chē)演進(jìn)，汽車(chē)整體已可視為是一個(gè)平臺。而車(chē)商也持續改善功能、更新安全性，并提供創(chuàng )新服務(wù)。面對未來(lái)，軟件升級能力和硬件整合，對于電動(dòng)汽車(chē)提升車(chē)輛效能，延長(cháng)行駛里程，將會(huì )變得更為重要。