發布時間：2024-01-22
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在電動汽車當中，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。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態達到最優？
全靠電池管理系統BMS（battery management system），它在電池運作系統中充當 “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致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以，通過BMS能準確量測電池組使用狀況，保護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換為可理解的續航力信息，確保動力電池安全運作。
AFE 模塊：實現電池信息采集、狀態監測等功能
AFE（模擬前端，Analog Front End Front End）是包含傳感器接口、模擬信號調理 （Conditioning，包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉換等）電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數據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 和多種驅動電路和多種驅動電路。
電池均衡模塊：提升電池續航時間和循環壽命
電池不均衡會影響電池續航時間和電池循環壽命。電池不均衡表現為多節電池串聯時各節電池電壓不相等，尤其在充電末端和放電末端時表現明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯在 一起時，串聯充電電流相同，但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓，從而表現為各節 電池電壓不相等。即使滿充容量相同，但 SOC 不同的電池配組串聯在一起時，SOC 高的 那節電池的電壓偏高，從而表現為各節電池電壓不相等。即使滿充容量相同、SOC 相同， 但各節電池的內阻 R 不同，則在充放電時 IR 壓差不同，也會導致電池端電壓不同。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）也會導致個體電池老化速率 不同從而內阻不均衡。最終都可能表現為各節電池電壓不相等。
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電芯多出來的電量轉 移給電量最少的那節電芯，或者轉移給整串電池，實現能量回收。被動均衡是把電量最多的 那節電芯多出來的電量通過電阻發熱消耗掉。
計算單元（MCU 等）：實現控制、計算等功能
MCU 作為計算平臺，需要滿足 AEC-Q100、ISO26262 等認證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統為例，MCU 起到繼電器控制、SOC/SOH 估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數據 收集、數據存儲等作用。相較于消費級和工業級 MCU，車規級 MCU 行業壁壘更高。車規級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩定性和長效性要求較高，研發難度較大：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；在產品壽命方面，整車設計壽命通常在 15 年及以上，遠高于消費電子產品的壽命需求；在失效率方面，整車 廠對車規級半導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準給復雜 性日益增長的電子系統量產化 提供了足夠的安全保障。車規級半導體的供應周期需要覆蓋 整車的全生命周期，供應需要可靠、一致且穩定，對企業供應鏈配臵和管理方面提出了較高要求。
隔離電路：實現高低壓模塊間電氣隔離
隔離器件實現高低壓模塊間的電氣隔離，技術路線包括光耦隔離和數字隔離。隔離器件是可 以將輸入信號進行轉換并輸出，以實現輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規器件。電氣隔離 能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸的安全性，如果沒有進行電氣隔離，一旦發生故 障，強電電路的電流將直接流到弱電電路，對電路及設備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統具有更高的 安全性和可靠性。高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸的設備大都需要進行電氣 隔離并通過安規認證。廣泛應用于信息通訊、電力電表、工業控制、電動汽車等各個領域。
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內部結構大同小異，不同點在于采樣通道數、內部ADC的數量、類型和架構。
AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產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合作研發無線 BMS，推出了無線 BMS 系統與平臺，在電池生產至回收的全周期內檢測電池數據并分析，使動力電池價值最大化），瑞薩的產品主要來自收購來的Intersil。AFE產品的供應商主要是國外的企業，國內目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。
AFE主要供應商及產品型號
從MCU方面來看，供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內也有很多MCU廠商都在積極布局車規級產品，如中穎電子、兆易創新、北京君正、芯海科技、國民技術、紫光國微、納思達、樂鑫科技、博通集成、復旦微電、上海貝嶺、晶豐明源等等。
MCU主要供應商及產品型號
在ADC方面，目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數是美國廠商，ST雖然有，但產品系列比較少。國內主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯?？萍肌?br/>
在數字隔離方面，主要用在高低壓之間的數字通信，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。主要供應商有ADI、TI、Silicon Labs等。當然，除了使用數字隔離器外，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高精度電池監控、平衡、保護器
汽車電氣化呈不可逆轉之勢快速發展，BMS系統成為首要核心問題。TI在電動汽車BMS領域頗有建樹，先后發布了符合ASIL D標準的有線BMS和無線BMS解決方案，領先業界。
BQ79614-Q1電路拓撲 圖源：TI
BQ79614-Q1是一款可應用與混合動力、純電動汽車BMS模塊高精度的電池監控器、平衡器和保護器，可對電池溫度實時監控，為避免過熱的情況出現，能自主進行暫停和啟動操作。該芯片工作電壓為12V，可在128μS內迅速為14塊電池進行高精度地電壓監測。
BQ79614-Q1芯片內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行監測，方便計算出電池的電荷狀態。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電池監測保護芯片
意法半導體（ST）引領半導體市場多年，芯片應用橫跨多個領域，也成為了汽車芯片的主要供應商。在汽車領域，為滿足市場及設計需求，推出了L9963E電池監測保護芯片，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設計難題。新產品采用一個獨特的架構，能夠測量4到14個串聯電池單體，樣本信號之間解除同步沒有任何延遲，測試結果證明，雖然可以菊鏈式連接 31個L9963E，但是整鏈延遲仍然不到 4 s。
L9963E 的電壓測量準確度非常高，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，該產品的架構確保每個電池單體都有專門的資源用于處理芯片監測到的電數據，而市面同類產品通常在電池單體之間共享數據處理資源。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，并可以避免因解除同步而引起的延遲。在菊鏈式網絡結構內，L9963E 還可以通過串行總線通信，帶寬達到2.66 Mbps，而業內帶寬大多數都徘徊在 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，繼續保持成本效益。此外，傳統的 BMS芯片要求每個電池單體必須并聯一個外部齊納二極管。在組裝過程中，系統無法知道哪個電池單體第一個接觸連接器，而且，這始終是一個隨機事件，因此，每個電池單體上的齊納二極管都要保護電池管理芯片。L9963E采用熱插拔和穩健架構，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路電池監視器
據ADI官網顯示，早在2008年就推出了第一款集成式高壓電池堆棧監控器，至今已經迭代更新到第四代，第五代產品還在研發階段。
LTC6811-1框架圖 圖源：ADI
LTC6811-1是ADI的第四代BMS IC，是一款電池組監視器，最高可對12個串聯電池進行電壓檢測，測量精度比ST L9963更高，總測量誤差小于1.2mV，完成12節的電池檢測僅需290μs。LTC6811-1可將多節電池串聯起來，因此該芯片可在高電壓的電池串中完成電池狀態實時監測。該芯片給還具有ISOSPI接口，可實現與器件之間高速的遠程通信。LTC6811-1能將12組電池通過菊花鏈連接，實現多通道通信的功能，監測電池狀態，并根據電池當前狀態進行暫停和啟動操作，該芯片采用隔離式電源供電。
英飛凌 多通道電池監控和均衡系統 IC
英飛凌推出的電池管理IC包括 TLE9012DQU 和 TLE9015DQU 兩個型號，為電池監控和均衡提供經過優化的解決方案。新電池管理IC可實現更高的測量精度與卓越的應用魯棒性，為電池模塊、無模組電池技術及電池底盤一體化技術的電池拓撲結構提供系統解決方案，可讓汽車電池管理系統（BMS）解決方案能夠達到汽車功能安全最高等級ASIL-D的要求，并符合ISO26262標準。
英飛凌的這套IC產品適用于工業級、消費級和汽車級應用，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、兩輪和三輪電動車的電池管理系統等應用，該IC系列產品包括TLE9012DQU和TLE9015DQU兩個型號。
其中，TLE9012DQU是一款多通道電池監控和均衡系統芯片，能夠進行高度精確的電壓測量，以便估算電池充電狀態（SoC）和電池健康狀態（SoH），這也是所有電池管理系統都必須滿足的關鍵要求。
TLE9015DQU是一款電池監控收發器芯片，用于將鋰電池里的多個TLE9012AQU以菊花鏈結構連接起來。通過兩對UART和iso UART接口可支持環型通信，降低成本并提高系統的效率。通過集成故障管理單元，該模塊還可實現雙向信息流。
國產BMS芯片怎么樣了？
目前國內BMS芯片市場規模為每年數十億顆，其中來自國內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，國內的BMS企業僅僅在此基礎上進行二次開發，包括硬件設計、軟件的搭建。
不過，國內的半導體企業已經在BMS芯片領域有所布局，受新冠影響，2020 年全球 BMS 市場規模增速下降，但我國 BMS 市場仍占據重要地位，據華經產業研究院，2020 年我國 BMS 市場需求規模為 97 億元。未來隨著電動汽車市場規模擴 大和電池效率要求提高，BMS 市場規模有望實現穩定增長，據 Business Wire 估計、前瞻產業研究院整理，2021 年全球 BMS 市場規模預計為 65.12 億美元，至 2026 年預計可達 131 億美元，CAGR 為 15%。據 Mordor Intelligence，2024 年全球電池管理芯片市場規模預計 達 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展，動力電池退役的數量呈現逐年增長態勢。
2020年，國內累計退役動力電池超過20萬噸，2021年，該數字約為32萬噸，同比增長60%。業內預計，未來2-3年內動力電池將迎來大規模退役潮。到2025年后，每年退役電池數量增長將達百萬量級。
退役電池如何處理，成為電動汽車產業迫在眉睫的發展難題。據統計，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。
工業和信息化部、科技部、生態環境部、商務部、市場監管總局近日聯合印發了《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，鼓勵梯次利用企業與電動汽車生產、動力蓄電池生產及報廢機動車回收拆解等企業協議合作，加強信息共享，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企業參與廢舊動力蓄電池回收及梯次利用。
6月17日，生態環境部等七部門聯合發布《減污降碳協同增效實施方案》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域電動汽車新車銷量達汽車新車銷量 50%左右。其中，提到“推進退役動力電池、光伏組件、風電機組葉片等新型廢棄物回收利用”。
據了解，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%區間時，梯次利用是首選。當電池容量降至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、日本等國較早發展電動汽車的國家與地區，已經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備公司開始把退役電池作為儲能設備，為儲能系統提供支持。大眾汽車旗下的斯柯達，雷諾和日產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揮著“余熱”。
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