發(fā)布時(shí)間：2024-01-22
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在電動(dòng)汽車(chē)當(dāng)中，40%的成本來(lái)自電池，后者就像是為電動(dòng)汽車(chē)提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動(dòng)汽車(chē)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(yùn)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(yùn)作系統(tǒng)中充當(dāng) “電池保姆”的角色。它處理的信號(hào)足夠豐富，包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。
一次過(guò)放電就會(huì)造成電池的永久性損壞，極端情況下鋰電池過(guò)熱或者過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以，通過(guò)BMS能準(zhǔn)確量測(cè)電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過(guò)度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計(jì)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(dòng)力電池安全運(yùn)作。
AFE 模塊：實(shí)現(xiàn)電池信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hào)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(kāi)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(dòng)電路和多種驅(qū)動(dòng)電路。
電池均衡模塊：提升電池續(xù)航時(shí)間和循環(huán)壽命
電池不均衡會(huì)影響電池續(xù)航時(shí)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(shí)各節(jié)電池電壓不相等，尤其在充電末端和放電末端時(shí)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(shí)，串聯(lián)充電電流相同，但滿充容量小的那個(gè)電池會(huì)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(shí)，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(shí) IR 壓差不同，也會(huì)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(gè)體電池之間熱不均衡）也會(huì)導(dǎo)致個(gè)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(dòng)均衡、被動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來(lái)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(shí)現(xiàn)能量回收。被動(dòng)均衡是把電量最多的 那節(jié)電芯多出來(lái)的電量通過(guò)電阻發(fā)熱消耗掉。
計(jì)算單元（MCU 等）：實(shí)現(xiàn)控制、計(jì)算等功能
MCU 作為計(jì)算平臺(tái)，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(jì)、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數(shù)據(jù) 收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等作用。相較于消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí) MCU，車(chē)規(guī)級(jí) MCU 行業(yè)壁壘更高。車(chē)規(guī)級(jí)半導(dǎo)體對(duì)產(chǎn)品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性要求較高，研發(fā)難度較大：汽車(chē)行駛的外部溫差較大，對(duì)芯片的寬溫控制性能有較高要求；在產(chǎn)品壽命方面，整車(chē)設(shè)計(jì)壽命通常在 15 年及以上，遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子產(chǎn)品的壽命需求；在失效率方面，整車(chē) 廠對(duì)車(chē)規(guī)級(jí)半導(dǎo)體的要求通常是零失效；在安全性方面，汽車(chē)電子的高功能安全標(biāo)準(zhǔn)給復(fù)雜 性日益增長(zhǎng)的電子系統(tǒng)量產(chǎn)化 提供了足夠的安全保障。車(chē)規(guī)級(jí)半導(dǎo)體的供應(yīng)周期需要覆蓋 整車(chē)的全生命周期，供應(yīng)需要可靠、一致且穩(wěn)定，對(duì)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(shí)現(xiàn)高低壓模塊間電氣隔離
隔離器件實(shí)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出，以實(shí)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(hào)傳輸?shù)陌踩?，如果沒(méi)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(duì)電路及設(shè)備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個(gè)電路之間的接地環(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號(hào)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(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備大都需要進(jìn)行電氣 隔離并通過(guò)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(dòng)汽車(chē)等各個(gè)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(diǎn)在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類(lèi)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(lái)自收購(gòu)的凌力爾特和美信（2019年，ADI收購(gòu)凌力爾特后，和通用汽車(chē)等整車(chē)企業(yè)合作研發(fā)無(wú)線 BMS，推出了無(wú)線 BMS 系統(tǒng)與平臺(tái)，在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測(cè)電池?cái)?shù)據(jù)并分析，使動(dòng)力電池價(jià)值最大化），瑞薩的產(chǎn)品主要來(lái)自收購(gòu)來(lái)的Intersil。AFE產(chǎn)品的供應(yīng)商主要是國(guó)外的企業(yè)，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)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(hào)
從MCU方面來(lái)看，供應(yīng)商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國(guó)內(nèi)也有很多MCU廠商都在積極布局車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，如中穎電子、兆易創(chuàng)新、北京君正、芯?？萍?、國(guó)民技術(shù)、紫光國(guó)微、納思達(dá)、樂(lè)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(hào)
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(guó)廠商，ST雖然有，但產(chǎn)品系列比較少。國(guó)內(nèi)主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯?？萍?。
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(chē)電氣化呈不可逆轉(zhuǎn)之勢(shì)快速發(fā)展，BMS系統(tǒng)成為首要核心問(wèn)題。TI在電動(dòng)汽車(chē)BMS領(lǐng)域頗有建樹(shù)，先后發(fā)布了符合ASIL D標(biāo)準(zhǔn)的有線BMS和無(wú)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(dòng)力、純電動(dòng)汽車(chē)BMS模塊高精度的電池監(jiān)控器、平衡器和保護(hù)器，可對(duì)電池溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，為避免過(guò)熱的情況出現(xiàn)，能自主進(jìn)行暫停和啟動(dòng)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(cè)。
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(jiǎn)單、低壓的差分RC濾波器。ADC低通濾波器是為了對(duì)濾波后的直流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便計(jì)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(cè)量BQ79614-Q1在通信方面可與BQ7600器件相連或直接通過(guò)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(guò)隔離式差分菊花鏈與電池組直接通信。
ST L9963E電池監(jiān)測(cè)保護(hù)芯片
意法半導(dǎo)體（ST）引領(lǐng)半導(dǎo)體市場(chǎng)多年，芯片應(yīng)用橫跨多個(gè)領(lǐng)域，也成為了汽車(chē)芯片的主要供應(yīng)商。在汽車(chē)領(lǐng)域，為滿足市場(chǎng)及設(shè)計(jì)需求，推出了L9963E電池監(jiān)測(cè)保護(hù)芯片，旨在解決全球包括中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)共同面臨的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。新產(chǎn)品采用一個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，能夠測(cè)量4到14個(gè)串聯(lián)電池單體，樣本信號(hào)之間解除同步?jīng)]有任何延遲，測(cè)試結(jié)果證明，雖然可以菊鏈?zhǔn)竭B接 31個(gè)L9963E，但是整鏈延遲仍然不到 4 s。
L9963E 的電壓測(cè)量準(zhǔn)確度非常高，最大誤差為 ±2 mV，同時(shí)還能測(cè)量電流，了解每個(gè)電池單體的實(shí)際容量。此外，該產(chǎn)品的架構(gòu)確保每個(gè)電池單體都有專(zhuān)門(mén)的資源用于處理芯片監(jiān)測(cè)到的電數(shù)據(jù)，而市面同類(lèi)產(chǎn)品通常在電池單體之間共享數(shù)據(jù)處理資源。通過(guò)為每個(gè)單體提供專(zhuān)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(guò)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(gè)電池單體需要 4 毫秒到 16 毫秒。
EVAL-L9963E-MCU
隨著電動(dòng)汽車(chē)變得越便宜，成本制約因素變得越重要。功能強(qiáng)大但價(jià)格太高的芯片會(huì)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(méi)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(gè)電池單體必須并聯(lián)一個(gè)外部齊納二極管。在組裝過(guò)程中，系統(tǒng)無(wú)法知道哪個(gè)電池單體第一個(gè)接觸連接器，而且，這始終是一個(gè)隨機(jī)事件，因此，每個(gè)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(jiǎn)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(duì)12個(gè)串聯(lián)電池進(jìn)行電壓檢測(cè)，測(cè)量精度比ST L9963更高，總測(cè)量誤差小于1.2mV，完成12節(jié)的電池檢測(cè)僅需290μs。LTC6811-1可將多節(jié)電池串聯(lián)起來(lái)，因此該芯片可在高電壓的電池串中完成電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該芯片給還具有ISOSPI接口，可實(shí)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(guò)菊花鏈連接，實(shí)現(xiàn)多通道通信的功能，監(jiān)測(cè)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(dòng)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(gè)型號(hào)，為電池監(jiān)控和均衡提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的解決方案。新電池管理IC可實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度與卓越的應(yīng)用魯棒性，為電池模塊、無(wú)模組電池技術(shù)及電池底盤(pán)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(chē)電池管理系統(tǒng)（BMS）解決方案能夠達(dá)到汽車(chē)功能安全最高等級(jí)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(jí)、消費(fèi)級(jí)和汽車(chē)級(jí)應(yīng)用，如輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）和純電動(dòng)汽車(chē)（BEV），以及儲(chǔ)能系統(tǒng)、兩輪和三輪電動(dòng)車(chē)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(gè)型號(hào)。
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(cè)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(gè)TLE9012AQU以菊花鏈結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。通過(guò)兩對(duì)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(guò)集成故障管理單元，該模塊還可實(shí)現(xiàn)雙向信息流。
國(guó)產(chǎn)BMS芯片怎么樣了？
目前國(guó)內(nèi)BMS芯片市場(chǎng)規(guī)模為每年數(shù)十億顆，其中來(lái)自國(guó)內(nèi)品牌的份額僅有兩成，能夠用于電動(dòng)汽車(chē)的更是少之又少。大多被國(guó)外廠商所壟斷，國(guó)內(nèi)的BMS企業(yè)僅僅在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件的搭建。
不過(guò)，國(guó)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(chǎng)規(guī)模增速下降，但我國(guó) BMS 市場(chǎng)仍占據(jù)重要地位，據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，2020 年我國(guó) BMS 市場(chǎng)需求規(guī)模為 97 億元。未來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò) 大和電池效率要求提高，BMS 市場(chǎng)規(guī)模有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，據(jù) Business Wire 估計(jì)、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理，2021 年全球 BMS 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為 65.12 億美元，至 2026 年預(yù)計(jì)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(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì) 達(dá) 93 億美元，市場(chǎng)空間廣闊。
我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量自2015年開(kāi)始放量，隨著保有量不斷增長(zhǎng)，截至2022年3月底，全國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量達(dá)891.5萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的2.90%。
雖然BMS芯片在不斷的升級(jí)換代，能夠更好的優(yōu)化電池性能，延長(zhǎng)電池壽命，可一旦動(dòng)力電池的容量衰減到80%就必須更換新電池。隨著電動(dòng)汽車(chē)近年來(lái)的發(fā)展，動(dòng)力電池退役的數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
2020年，國(guó)內(nèi)累計(jì)退役動(dòng)力電池超過(guò)20萬(wàn)噸，2021年，該數(shù)字約為32萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)60%。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，未來(lái)2-3年內(nèi)動(dòng)力電池將迎來(lái)大規(guī)模退役潮。到2025年后，每年退役電池?cái)?shù)量增長(zhǎng)將達(dá)百萬(wàn)量級(jí)。
退役電池如何處理，成為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迫在眉睫的發(fā)展難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的動(dòng)力電池回收率僅在10%左右，因此，廢舊動(dòng)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(chǎng)監(jiān)管總局近日聯(lián)合印發(fā)了《新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池梯次利用管理辦法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《辦法》)。該《辦法》提出，鼓勵(lì)梯次利用企業(yè)與電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)、動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)及報(bào)廢機(jī)動(dòng)車(chē)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(dòng)力蓄電池用于梯次利用。鼓勵(lì)動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)參與廢舊動(dòng)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(mén)聯(lián)合發(fā)布《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》明確，推動(dòng)能源供給體系清潔化低碳化和終端能源消費(fèi)電氣化，到 2030 年，大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量達(dá)汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量 50%左右。其中，提到“推進(jìn)退役動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池容量處于20%-80%區(qū)間時(shí)，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(jià)值時(shí)，則可以再生利用。
歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)較早發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的國(guó)家與地區(qū)，已經(jīng)建立起較為完善的動(dòng)力電池回收體系，同時(shí)，越來(lái)越多的車(chē)企和設(shè)備公司開(kāi)始把退役電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供支持。大眾汽車(chē)旗下的斯柯達(dá)，雷諾和日產(chǎn)等車(chē)企紛紛通過(guò)與能源公司合作，讓退役電池在儲(chǔ)能方面發(fā)揮著“余熱”。
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