汽车电气化潮流不可逆 电池管理技术跟上脚步

近日俄乌冲突升温，除了天然气及原油大涨，也可能冲击包括铝、镍、铜等在内的有色金属供应。据TrendForce表示，镍作为电动车动力电池制造的上游关键原料，在动力电池中主要用于三元正极材料的制造，2021年全球镍矿产量约为270万金属吨，主要来自印度尼西亚、菲律宾和俄罗斯，其中俄罗斯镍矿产量占据全球总产量约9%（包括了低、中、高品位?），位居第三名。

目前新能源汽车市场渗透率正处于加速阶段，且三元动力电池占据了近一半的市场份额，意即车用动力电池所需的上游原料镍需求将愈加旺盛，尽管现阶段俄罗斯的镍产品出口暂不受影响，然若俄乌关系持续恶化，短期内恐影响全球镍供应，推升镍价上涨，并进一步拉升终端如电动车产业的成本压力。

此外，随着新能源汽车产销量的爆发，动力电池装机量也出现高速成长，进而促使电池材料的需求水涨船高。其中，正极材料作为动力电池需求最大的一类原材料，其出货量受益于新能源汽车的拉动而快速提升，预估2025年全球动力电池对正极材料的需求量将有望突破215万吨。


电动车普及转折点


 
图一 : 发展电动车面临的挑战，在于找到让电动汽车更有利可图的途径。

随着全球正在经历着巨大的社会变革，过去几年间塑造汽车产业发展的大趋势正变得更加重要。各国政府为了解决污染问题，以及消费者对更绿色、更干净和更安全的未来生活的期盼，全球都正在重新定义能源产业的目标，并加速推动电动汽车市场的发展。而目前看起来，电动车的发展已经如火如荼展开，反而是充电基础设施成为电动车能不能普及的关键点。

目前发展电动车面临的挑战在于找到让电动汽车更有利可图的途径。这里的症结点在于，锂离子电池组的尺寸、成本，以及消费者对单次充电后，续航里程的接受程度之间的平衡。因此，锂离子电池组的单位成本和制造能力，已经成为电动汽车市场扩张的核心。


锂离子电池
锂离子电池组的单位成本和制造能力，已经成为电动汽车市场扩张的核心。
锂离子电池是电动车、混合动力车和插电式混合动力汽车的电力来源，而其中，用来保护数百个电池的电池监控系统非常重要。我们知道各种电动汽车都必须配备电池组，以提供驱动相关牵引电机所需要的电力。这样的电池组，根据对象是电动车（EV）、混合动力电动汽车（HEV），或者是插电式混合动力汽车（PHEV），其所需的电压可能从200V到400V左右的范围内。为了提供所需的电压和电流，目前最主流的选择是锂离子（Li-ion）可充电电池。

锂离子电池比传统使用的镍氢电池，具有更优质的能量重量比。此外，锂离子电池在多个充放电的循环中，也提供了更有效率的储存容量，并且在不使用时，发生的电荷泄漏更少。与在某些高压应用中所使用的镍氢电池不同之处在于，使用锂离子技术的电池组，可以透过更少的单一电池来产生达到数百伏特的电压。然而，使用锂离子电池也有其挑战。例如必须对每个电池进行适当的监控与平衡，来确保使用过程的安全、提高电池性能，并延长电池寿命。

保护和监控锂离子是有其必要的，因为锂离子电池曾经有过在相对低压的笔记本电脑中，遇到峰值电压而过热着火的案例。在电动汽车这种较高的工作电压下，发生类似这种状况的故障会导致灾难性的结果。尽管电池制造的质量稍有提升，然而在任何电动车的汽车应用中，防止更高的温度和故障条件，对于行车的安全性与可靠性仍然相当重要。

在锂离子电池组中，每个电池会产生3.0V至3.9V的电压，这取决于其充电与放电的状态而定。将100个电池串联起来，使总电池组电压达到数百伏的情况非常常见。这些电池管理系统中的电池，再为驱动其交流感应电机的直流-交流转换器进行供电。使用高电池电压，好处是可以降低平均电流，从而减少功率损耗，并允许使用更小直径的电缆，进而可以降低整体车辆的重量。


电池管理系统（BMS）
电池管理系统（Battery Management System；BMS），是连接电动汽车最核心组件，也就是电池与整车的关键组件。一般来说，BMS是由一个主控单元和多个从属单元所组成，从属单元直接连接电池包（Battery Pack），进行采集电池的电压、电流和温度等，至于主控单元则透过CAN总线等通信等方式来管理多个从属单元。


 
图二 : 电池管理系统目的在于监控和调节电池充电和放电过程。（source：st.com）

电池管理系统目的在于监控和调节电池充电和放电的过程。要监控的电池特性包括检测电池类型、电压、温度、容量、充电状态、功耗、剩余工作时间、充电周期以及更多特性等。也因此，可以知道电池管理系统的任务是确保电池中剩余能量的最佳利用。BMS系统也能保护电池免于深度放电、过压，这是极快充电和极高放电电流的结果。在多电芯电池的应用案例中，电池管理系统还提供了电芯平衡功能，来针对不同电芯的充放电需求进行管理。

电动汽车电池管理系统的主要功能包括了以下几个要项：
●电池保护，以防止在其安全操作区域之外进行操作。
●透过估计充电和放电期间的电池组充电状态（SoC）和健康状态（SoH）来监控电池。
●电池优化得益于电池平衡，可提高电池寿命和容量，进而优化混合动力（HEV）、插电式（PHEV）和纯电动汽车（BEV）的行驶里程。

目前许多半导体大厂都推出了针对电动车锂离子电池所开发的BMS系统。例如NXP便开发了一款6通道电源管理IC（PMIC）来进行锂离子的电池控制。这款MC33772电池单元控制器适合用于混合动力电动汽车（HEV）、电动汽车（EV）等系统，具备差分电池电压和电流的ADC转换，以及库仑计数和温度测量等功能。MC33772电池控制器解决方案也支持汽车产业的ISO 26262 SafeAssure功能安全标准。

至于英飞凌也推出了一款专为锂离子电池组设计的多通道电池监控和平衡 IC TLE9012DQU，适用于任何类型的MHEV、HEV、PHEV和BEV电动车、以及消费者的电动自行车BMS等。TLE9012DQU实现四个主要功能，包括电池电压测量、温度测量、电池平衡和与主电池控制器的隔离通信。TLE9012DQU也提供了必要的诊断工具以确保正常运行，从而保护电池周围人员的安全。

意法半导体（ST）也针对汽车应用苛刻的设计要求，推出了电池管理系统解决方案，这是基于新型高度整合的电池管理IC L9963E，及其配套的隔离式收发器L9963T，这款解决方案能够在单向或双向链路配置中，提供对多达14节串联电池的最高精度测量，并嵌入复杂的电池监控和诊断功能。它还符合严格的汽车安全完整性等级(ASIL) D合规性。这款方案也与ST的32位汽车MCU 系列、电源管理和系统基础IC、VIPower智能开关、广泛的保护组件，和用于数据记录的汽车EEPROM一起，提供更为全面而灵活的解决方案，来支持汽车等级的电池管理系统。

结语
电动车的发展已经是不可逆的潮流。特别是在电动化与电气化之后，加上自动化的自驾车演进，汽车整体已可视为是一个平台。而车商也持续改善功能、更新安全性，并提供创新服务。面对未来，软件升级能力和硬件整合，对于电动汽车提升车辆效能，延长行驶里程，将会变得更为重要。