隨著電動(dòng)汽車(chē) (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(lèi)系統(tǒng)的核心。

“半導(dǎo)體技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)中所占的比重比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)大得多，”在TI 開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)在全球乘用車(chē)市場(chǎng)中所占份額不足 5%。不過(guò)，電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額正在迅速增加，大多數(shù)主要汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)依靠測(cè)量蓄電池電壓降來(lái)評(píng)估剩余容量，這對(duì)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛的續(xù)航里程，準(zhǔn)確的監(jiān)控對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)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。”

致力于讓世界更美好

幫助汽車(chē)制造商讓電動(dòng)汽車(chē)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