發(fā)布時間：2024-01-22
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在電動汽車當(dāng)中，40%的成本來自電池，后者就像是為電動汽車提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標(biāo)。如何掌握這些指標(biāo)并保證每顆電池的運行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)？
全靠電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system），它在電池運作系統(tǒng)中充當(dāng) “電池保姆”的角色。它處理的信號足夠豐富，包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。
一次過放電就會造成電池的永久性損壞，極端情況下鋰電池過熱或者過充電會導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以，通過BMS能準(zhǔn)確量測電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計算電池組的電量并轉(zhuǎn)換為可理解的續(xù)航力信息，確保動力電池安全運作。
AFE 模塊：實現(xiàn)電池信息采集、狀態(tài)監(jiān)測等功能
AFE（模擬前端，Analog Front End Front End）是包含傳感器接口、模擬信號調(diào)理 （Conditioning，包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉(zhuǎn)換等）電路、模擬多路開關(guān)、采樣保持器、ADC、數(shù)據(jù)緩存以及控制邏輯等部件的存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些 AFE 還帶有 MCU、DAC 和多種驅(qū)動電路和多種驅(qū)動電路。
電池均衡模塊：提升電池續(xù)航時間和循環(huán)壽命
電池不均衡會影響電池續(xù)航時間和電池循環(huán)壽命。電池不均衡表現(xiàn)為多節(jié)電池串聯(lián)時各節(jié)電池電壓不相等，尤其在充電末端和放電末端時表現(xiàn)明顯。當(dāng)滿充容量不同的電池配組串聯(lián)在 一起時，串聯(lián)充電電流相同，但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓，從而表現(xiàn)為各節(jié) 電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同，但 SOC 不同的電池配組串聯(lián)在一起時，SOC 高的 那節(jié)電池的電壓偏高，從而表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同、SOC 相同， 但各節(jié)電池的內(nèi)阻 R 不同，則在充放電時 IR 壓差不同，也會導(dǎo)致電池端電壓不同。此外，一些外部因素（比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡）也會導(dǎo)致個體電池老化速率 不同從而內(nèi)阻不均衡。最終都可能表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。
均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來的電量轉(zhuǎn) 移給電量最少的那節(jié)電芯，或者轉(zhuǎn)移給整串電池，實現(xiàn)能量回收。被動均衡是把電量最多的 那節(jié)電芯多出來的電量通過電阻發(fā)熱消耗掉。
計算單元（MCU 等）：實現(xiàn)控制、計算等功能
MCU 作為計算平臺，需要滿足 AEC-Q100、ISO26262 等認(rèn)證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統(tǒng)為例，MCU 起到繼電器控制、SOC/SOH 估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數(shù)據(jù) 收集、數(shù)據(jù)存儲等作用。相較于消費級和工業(yè)級 MCU，車規(guī)級 MCU 行業(yè)壁壘更高。車規(guī)級半導(dǎo)體對產(chǎn)品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長效性要求較高，研發(fā)難度較大：汽車行駛的外部溫差較大，對芯片的寬溫控制性能有較高要求；在產(chǎn)品壽命方面，整車設(shè)計壽命通常在 15 年及以上，遠(yuǎn)高于消費電子產(chǎn)品的壽命需求；在失效率方面，整車 廠對車規(guī)級半導(dǎo)體的要求通常是零失效；在安全性方面，汽車電子的高功能安全標(biāo)準(zhǔn)給復(fù)雜 性日益增長的電子系統(tǒng)量產(chǎn)化 提供了足夠的安全保障。車規(guī)級半導(dǎo)體的供應(yīng)周期需要覆蓋 整車的全生命周期，供應(yīng)需要可靠、一致且穩(wěn)定，對企業(yè)供應(yīng)鏈配臵和管理方面提出了較高要求。
隔離電路：實現(xiàn)高低壓模塊間電氣隔離
隔離器件實現(xiàn)高低壓模塊間的電氣隔離，技術(shù)路線包括光耦隔離和數(shù)字隔離。隔離器件是可 以將輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出，以實現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離 能夠保證強(qiáng)電電路和弱電電路之間信號傳輸?shù)陌踩裕绻麤]有進(jìn)行電氣隔離，一旦發(fā)生故 障，強(qiáng)電電路的電流將直接流到弱電電路，對電路及設(shè)備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統(tǒng)具有更高的 安全性和可靠性。高電壓（強(qiáng)電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸?shù)脑O(shè)備大都需要進(jìn)行電氣 隔離并通過安規(guī)認(rèn)證。廣泛應(yīng)用于信息通訊、電力電表、工業(yè)控制、電動汽車等各個領(lǐng)域。
BMS芯片主要廠商在歐美
在BMS芯片中，可供選擇的AFE并不多。我們能接觸到的AFE內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異，不同點在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構(gòu)。
AFE的主要供應(yīng)商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產(chǎn)品線主要來自收購的凌力爾特和美信（2019年，ADI收購凌力爾特后，和通用汽車等整車企業(yè)合作研發(fā)無線 BMS，推出了無線 BMS 系統(tǒng)與平臺，在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池數(shù)據(jù)并分析，使動力電池價值最大化），瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購來的Intersil。AFE產(chǎn)品的供應(yīng)商主要是國外的企業(yè)，國內(nèi)目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。
AFE主要供應(yīng)商及產(chǎn)品型號
從MCU方面來看，供應(yīng)商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內(nèi)也有很多MCU廠商都在積極布局車規(guī)級產(chǎn)品，如中穎電子、兆易創(chuàng)新、北京君正、芯海科技、國民技術(shù)、紫光國微、納思達(dá)、樂鑫科技、博通集成、復(fù)旦微電、上海貝嶺、晶豐明源等等。
MCU主要供應(yīng)商及產(chǎn)品型號
在ADC方面，目前主要的供應(yīng)商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數(shù)是美國廠商，ST雖然有，但產(chǎn)品系列比較少。國內(nèi)主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯海科技。
在數(shù)字隔離方面，主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信，以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應(yīng)商有ADI、TI、Silicon Labs等。當(dāng)然，除了使用數(shù)字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。
比較有代表性的BMS芯片
TI高精度電池監(jiān)控、平衡、保護(hù)器
汽車電氣化呈不可逆轉(zhuǎn)之勢快速發(fā)展，BMS系統(tǒng)成為首要核心問題。TI在電動汽車BMS領(lǐng)域頗有建樹，先后發(fā)布了符合ASIL D標(biāo)準(zhǔn)的有線BMS和無線BMS解決方案，領(lǐng)先業(yè)界。
BQ79614-Q1電路拓?fù)?圖源：TI
BQ79614-Q1是一款可應(yīng)用與混合動力、純電動汽車BMS模塊高精度的電池監(jiān)控器、平衡器和保護(hù)器，可對電池溫度實時監(jiān)控，為避免過熱的情況出現(xiàn)，能自主進(jìn)行暫停和啟動操作。該芯片工作電壓為12V，可在128μS內(nèi)迅速為14塊電池進(jìn)行高精度地電壓監(jiān)測。
BQ79614-Q1芯片內(nèi)部集成了前端濾波器和后置ADC低通濾波器。前端濾波器是為了降低成本，能夠在電池輸入電路上使用簡單、低壓的差分RC濾波器。ADC低通濾波器是為了對濾波后的直流電壓進(jìn)行監(jiān)測，方便計算出電池的電荷狀態(tài)。在該芯片可用于外部熱敏電阻的測量BQ79614-Q1在通信方面可與BQ7600器件相連或直接通過UART接口與MCU完成通信。在通信線線路異常的情況下，MCU可以通過隔離式差分菊花鏈與電池組直接通信。
ST L9963E電池監(jiān)測保護(hù)芯片
意法半導(dǎo)體（ST）引領(lǐng)半導(dǎo)體市場多年，芯片應(yīng)用橫跨多個領(lǐng)域，也成為了汽車芯片的主要供應(yīng)商。在汽車領(lǐng)域，為滿足市場及設(shè)計需求，推出了L9963E電池監(jiān)測保護(hù)芯片，旨在解決全球包括中國電動汽車共同面臨的電池管理系統(tǒng)設(shè)計難題。新產(chǎn)品采用一個獨特的架構(gòu)，能夠測量4到14個串聯(lián)電池單體，樣本信號之間解除同步?jīng)]有任何延遲，測試結(jié)果證明，雖然可以菊鏈?zhǔn)竭B接 31個L9963E，但是整鏈延遲仍然不到 4 s。
L9963E 的電壓測量準(zhǔn)確度非常高，最大誤差為 ±2 mV，同時還能測量電流，了解每個電池單體的實際容量。此外，該產(chǎn)品的架構(gòu)確保每個電池單體都有專門的資源用于處理芯片監(jiān)測到的電數(shù)據(jù)，而市面同類產(chǎn)品通常在電池單體之間共享數(shù)據(jù)處理資源。通過為每個單體提供專用處理資源，我們可以提供同步讀數(shù)，并可以避免因解除同步而引起的延遲。在菊鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，L9963E 還可以通過串行總線通信，帶寬達(dá)到2.66 Mbps，而業(yè)內(nèi)帶寬大多數(shù)都徘徊在 1 Mbps 左右。因此，讀取和處理 434 個電池單體需要 4 毫秒到 16 毫秒。
EVAL-L9963E-MCU
隨著電動汽車變得越便宜，成本制約因素變得越重要。功能強(qiáng)大但價格太高的芯片會失去大部分吸引力。與眾不同的是，L9963E提供豐富的功能，但是沒有增加裸片尺寸，繼續(xù)保持成本效益。此外，傳統(tǒng)的 BMS芯片要求每個電池單體必須并聯(lián)一個外部齊納二極管。在組裝過程中，系統(tǒng)無法知道哪個電池單體第一個接觸連接器，而且，這始終是一個隨機(jī)事件，因此，每個電池單體上的齊納二極管都要保護(hù)電池管理芯片。L9963E采用熱插拔和穩(wěn)健架構(gòu)，工程師可以不用這些齊納二極管，從而簡化了印刷電路板布局，降低了總體成本。
ADI 12路電池監(jiān)視器
據(jù)ADI官網(wǎng)顯示，早在2008年就推出了第一款集成式高壓電池堆棧監(jiān)控器，至今已經(jīng)迭代更新到第四代，第五代產(chǎn)品還在研發(fā)階段。
LTC6811-1框架圖 圖源：ADI
LTC6811-1是ADI的第四代BMS IC，是一款電池組監(jiān)視器，最高可對12個串聯(lián)電池進(jìn)行電壓檢測，測量精度比ST L9963更高，總測量誤差小于1.2mV，完成12節(jié)的電池檢測僅需290μs。LTC6811-1可將多節(jié)電池串聯(lián)起來，因此該芯片可在高電壓的電池串中完成電池狀態(tài)實時監(jiān)測。該芯片給還具有ISOSPI接口，可實現(xiàn)與器件之間高速的遠(yuǎn)程通信。LTC6811-1能將12組電池通過菊花鏈連接，實現(xiàn)多通道通信的功能，監(jiān)測電池狀態(tài)，并根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行暫停和啟動操作，該芯片采用隔離式電源供電。
英飛凌 多通道電池監(jiān)控和均衡系統(tǒng) IC
英飛凌推出的電池管理IC包括 TLE9012DQU 和 TLE9015DQU 兩個型號，為電池監(jiān)控和均衡提供經(jīng)過優(yōu)化的解決方案。新電池管理IC可實現(xiàn)更高的測量精度與卓越的應(yīng)用魯棒性，為電池模塊、無模組電池技術(shù)及電池底盤一體化技術(shù)的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供系統(tǒng)解決方案，可讓汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）解決方案能夠達(dá)到汽車功能安全最高等級ASIL-D的要求，并符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)。
英飛凌的這套IC產(chǎn)品適用于工業(yè)級、消費級和汽車級應(yīng)用，如輕度混合動力電動汽車（MHEV）、混合動力電動汽車（HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）和純電動汽車（BEV），以及儲能系統(tǒng)、兩輪和三輪電動車的電池管理系統(tǒng)等應(yīng)用，該IC系列產(chǎn)品包括TLE9012DQU和TLE9015DQU兩個型號。
其中，TLE9012DQU是一款多通道電池監(jiān)控和均衡系統(tǒng)芯片，能夠進(jìn)行高度精確的電壓測量，以便估算電池充電狀態(tài)（SoC）和電池健康狀態(tài)（SoH），這也是所有電池管理系統(tǒng)都必須滿足的關(guān)鍵要求。
TLE9015DQU是一款電池監(jiān)控收發(fā)器芯片，用于將鋰電池里的多個TLE9012AQU以菊花鏈結(jié)構(gòu)連接起來。通過兩對UART和iso UART接口可支持環(huán)型通信，降低成本并提高系統(tǒng)的效率。通過集成故障管理單元，該模塊還可實現(xiàn)雙向信息流。
國產(chǎn)BMS芯片怎么樣了？
目前國內(nèi)BMS芯片市場規(guī)模為每年數(shù)十億顆，其中來自國內(nèi)品牌的份額僅有兩成，能夠用于電動汽車的更是少之又少。大多被國外廠商所壟斷，國內(nèi)的BMS企業(yè)僅僅在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，包括硬件設(shè)計、軟件的搭建。
不過，國內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)在BMS芯片領(lǐng)域有所布局，受新冠影響，2020 年全球 BMS 市場規(guī)模增速下降，但我國 BMS 市場仍占據(jù)重要地位，據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，2020 年我國 BMS 市場需求規(guī)模為 97 億元。未來隨著電動汽車市場規(guī)模擴(kuò) 大和電池效率要求提高，BMS 市場規(guī)模有望實現(xiàn)穩(wěn)定增長，據(jù) Business Wire 估計、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理，2021 年全球 BMS 市場規(guī)模預(yù)計為 65.12 億美元，至 2026 年預(yù)計可達(dá) 131 億美元，CAGR 為 15%。據(jù) Mordor Intelligence，2024 年全球電池管理芯片市場規(guī)模預(yù)計 達(dá) 93 億美元，市場空間廣闊。
我國電動汽車銷量自2015年開始放量，隨著保有量不斷增長，截至2022年3月底，全國電動汽車保有量達(dá)891.5萬輛，占汽車總量的2.90%。
雖然BMS芯片在不斷的升級換代，能夠更好的優(yōu)化電池性能，延長電池壽命，可一旦動力電池的容量衰減到80%就必須更換新電池。隨著電動汽車近年來的發(fā)展，動力電池退役的數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。
2020年，國內(nèi)累計退役動力電池超過20萬噸，2021年，該數(shù)字約為32萬噸，同比增長60%。業(yè)內(nèi)預(yù)計，未來2-3年內(nèi)動力電池將迎來大規(guī)模退役潮。到2025年后，每年退役電池數(shù)量增長將達(dá)百萬量級。
退役電池如何處理，成為電動汽車產(chǎn)業(yè)迫在眉睫的發(fā)展難題。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的動力電池回收率僅在10%左右，因此，廢舊動力電池的回收利用需求漸顯迫切。
工業(yè)和信息化部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務(wù)部、市場監(jiān)管總局近日聯(lián)合印發(fā)了《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》(以下簡稱《辦法》)。該《辦法》提出，鼓勵梯次利用企業(yè)與電動汽車生產(chǎn)、動力蓄電池生產(chǎn)及報廢機(jī)動車回收拆解等企業(yè)協(xié)議合作，加強(qiáng)信息共享，利用已有回收渠道，高效回收廢舊動力蓄電池用于梯次利用。鼓勵動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)參與廢舊動力蓄電池回收及梯次利用。
6月17日，生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合發(fā)布《減污降碳協(xié)同增效實施方案》明確，推動能源供給體系清潔化低碳化和終端能源消費電氣化，到 2030 年，大氣污染防治重點區(qū)域電動汽車新車銷量達(dá)汽車新車銷量 50%左右。其中，提到“推進(jìn)退役動力電池、光伏組件、風(fēng)電機(jī)組葉片等新型廢棄物回收利用”。
據(jù)了解，動力電池回收主要有兩大方向——梯次利用、再生利用。在退役的動力電池容量處于20%-80%區(qū)間時，梯次利用是首選。當(dāng)電池容量降至20%及以下，不具備梯次利用價值時，則可以再生利用。
歐洲、美國、日本等國較早發(fā)展電動汽車的國家與地區(qū)，已經(jīng)建立起較為完善的動力電池回收體系，同時，越來越多的車企和設(shè)備公司開始把退役電池作為儲能設(shè)備，為儲能系統(tǒng)提供支持。大眾汽車旗下的斯柯達(dá)，雷諾和日產(chǎn)等車企紛紛通過與能源公司合作，讓退役電池在儲能方面發(fā)揮著“余熱”。
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