隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的普及，先進(jìn)的電池管理系統(tǒng) (BMS) 正在幫助克服一些阻礙其進(jìn)一步普及的關(guān)鍵障礙：續(xù)航里程、安全性、性能、可靠性和成本。半導(dǎo)體是此類系統(tǒng)的核心。

“半導(dǎo)體技術(shù)在電動(dòng)汽車中所占的比重比內(nèi)燃機(jī)汽車大得多，”在TI 開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車電池監(jiān)控產(chǎn)品的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Sam Wong說(shuō)，“我們的芯片可以帶來(lái)巨大的好處，而成本只是電池組的一小部分?！?/p>

根據(jù) BloombergNEF 最近的一份報(bào)告，電動(dòng)汽車在全球乘用車市場(chǎng)中所占份額不足 5%。不過(guò)，電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額正在迅速增加，大多數(shù)主要汽車制造商都承諾在未來(lái)五到十年內(nèi)轉(zhuǎn)向以電動(dòng)汽車為主的產(chǎn)品線，朝著更環(huán)保、更可持續(xù)的未來(lái)邁進(jìn)。電池技術(shù)的進(jìn)步是主流消費(fèi)者的主要考慮因素。TI 處于這一領(lǐng)域的前沿，通過(guò)新技術(shù)推動(dòng)汽車創(chuàng)新，使工程師能夠使用多種電池化學(xué)成分和配置。這些進(jìn)步已經(jīng)帶來(lái)了電動(dòng)汽車價(jià)格、性能和可靠性的改善，無(wú)論是傳統(tǒng)電池技術(shù)還是前沿電池技術(shù)，皆是如此。

從毫伏電能中獲得數(shù)英里續(xù)航里程

新的電池化學(xué)成分帶來(lái)了一大機(jī)遇。大多數(shù)電動(dòng)汽車由鋰離子電池供電，鋰離子電池依賴于供應(yīng)短缺的稀土金屬鈷。但現(xiàn)在，大部分電動(dòng)汽車行業(yè)開(kāi)始采用物質(zhì)磷酸鐵鋰 (LFP) 作為替代電池化學(xué)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷，這種化學(xué)物質(zhì)更豐富、更可持續(xù)開(kāi)采、易于使用，因此是一種更便宜、更高效的替代品。

但是，雖然鐵的較低成本和相對(duì)豐富性使 LFP 成為一種更可持續(xù)的選擇，但這種化學(xué)物質(zhì)也有一個(gè)缺點(diǎn)。電動(dòng)汽車依靠測(cè)量蓄電池電壓降來(lái)評(píng)估剩余容量，這對(duì)車內(nèi)人員來(lái)說(shuō)，則意味著剩余的續(xù)航里程。然而，與放電時(shí)電壓穩(wěn)定下降的鈷基電池不同，LFP 電池的電壓下降微不足道，即使它們接近完全耗盡也是如此，這給預(yù)測(cè)帶來(lái)了困難。

“LFP 的平坦放電率要求電壓測(cè)量精度突破現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的限制，”BMS 系統(tǒng)經(jīng)理 Mark Ng如是說(shuō)。

傳統(tǒng)的 BMS 設(shè)備測(cè)量電池電壓的精度約為 5 毫伏，但在 LFP 電池中，這種不準(zhǔn)確性會(huì)導(dǎo)致續(xù)航里程產(chǎn)生約 25% 的誤差。由于制造商必須在續(xù)航里程被低估這一問(wèn)題上周全考慮，以避免司機(jī)在高速公路上因電池耗盡而感到驚訝，車輛經(jīng)常報(bào)告的剩余續(xù)航里程比實(shí)際可行駛里程要短 25%。

這就是我們的尖端技術(shù)大顯身手的地方。通過(guò)利用我們的高精度電池監(jiān)控器，汽車制造商可以指示更準(zhǔn)確的續(xù)航里程。

“使用我們的芯片，當(dāng)實(shí)際上還可以行駛 250 英里時(shí)，汽車不會(huì)告訴你還可以行駛 200 英里，而是可能會(huì)告訴你還可以行駛 230 英里，”Mark 說(shuō)，“使用同樣的電池供電時(shí)，BMS 基本上將續(xù)航里程延長(zhǎng)了 30 英里?！?/p>

這一額外續(xù)航里程足以確保 LFP 電池的可行性，讓汽車制造商有信心轉(zhuǎn)向新興的化學(xué)材料，從而使電動(dòng)汽車更具可持續(xù)性、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

平衡技術(shù)

除了延長(zhǎng)車輛的續(xù)航里程，準(zhǔn)確的監(jiān)控對(duì)于電動(dòng)汽車電池組中近 200 個(gè)電池的安全性和耐久性也至關(guān)重要。如果一個(gè)電池的放電速度比其他電池快，即使電池組的其他電池仍然有電，這個(gè)電池也可能接近耗盡。但是太接近耗盡可能會(huì)徹底損壞電池，導(dǎo)致電池?zé)o法蓄電，從而使整個(gè)電池組徹底無(wú)法使用。在充電過(guò)程中，問(wèn)題在于某節(jié)電池比其他電池更快地充滿。這可能會(huì)導(dǎo)致這節(jié)電池過(guò)度充電，從而可能造成過(guò)熱的危險(xiǎn)情況。

我們的電池監(jiān)測(cè)器準(zhǔn)確性較高，可以發(fā)現(xiàn)電池有過(guò)度耗盡或過(guò)度充電風(fēng)險(xiǎn)的早期跡象，然后斷開(kāi)電池連接以避免過(guò)度放電或釋放多余的電荷，從而使整個(gè)電池組在駕駛和充電期間保持平衡。這些器件還會(huì)監(jiān)視電池溫度的升高，這是過(guò)度充電或其他問(wèn)題的另一個(gè)跡象。

“BMS 提供了一個(gè)精細(xì)的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)每個(gè)電池的電壓、電流和溫度，”Sam 說(shuō)，“這樣，我們就可以從系統(tǒng)中切斷電池，或者調(diào)整進(jìn)出系統(tǒng)的電流。”

BMS 通過(guò)使用兩個(gè)獨(dú)立的傳感器測(cè)量電壓來(lái)提供冗余，如果存在不匹配，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)記。

即使是切斷系統(tǒng)電池的任務(wù)也有其自身的挑戰(zhàn)和解決方案。在下一代電動(dòng)汽車的配電、穩(wěn)健性和安全性方面，更高的電池電壓疊加、更快的充電要求和更強(qiáng)大的牽引電機(jī)都為這些斷開(kāi)系統(tǒng)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

靈活創(chuàng)新

隨著制造商引入新的電池化學(xué)成分、更強(qiáng)大的電池組和不同配置的單個(gè)電池，許多制造商正在推出利用不同電池組合的電動(dòng)汽車產(chǎn)品系列。我們的產(chǎn)品組合在同一個(gè)封裝中提供多個(gè)通道選項(xiàng)、引腳到引腳兼容性，并可完全利用現(xiàn)有軟件。因此，我們的器件組合提供的重要功能之一是能適用于汽車制造商選擇使用的幾乎任何電池化學(xué)成分或配置，從而節(jié)省研發(fā)成本、軟件開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。

“如果你是一家提供多種化學(xué)成分和配置的制造商，那么在同一個(gè)產(chǎn)品系列中擁有多種電池監(jiān)測(cè)器件選項(xiàng)至關(guān)重要，”Mark 說(shuō)，“這種跨平臺(tái)擴(kuò)展的能力降低了單臺(tái)電動(dòng)汽車的成本，并加速其上市?！?/p>

更多 BMS 創(chuàng)新即將到來(lái)。我們公司正在突破電壓精度的界限，并將更多控制能力集成到每個(gè)芯片中，以釋放汽車制造商的真正潛力。此外，TI 正在進(jìn)行研究，以幫助確保我們的 BMS 解決方案得到優(yōu)化，能夠準(zhǔn)確地支持新興電池類型。“在整個(gè)行業(yè)中，可能有另外一百種不同的電池化學(xué)成分尚在研究之中，”Sam 說(shuō)，“我們希望確保我們的 BMS 產(chǎn)品能夠提供靈活性，從而充分發(fā)揮每一款產(chǎn)品的特性?！?/p>

致力于讓世界更美好

幫助汽車制造商讓電動(dòng)汽車更安全、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，這只是我們的革新者致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用、讓世界更美好并以此實(shí)現(xiàn)公司愿景的方式之一。每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更高效、更可靠，更實(shí)惠。這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。

審核編輯 黃昊宇