利用電子元件的力量幫助擺脫化石燃料
為了實(shí)現(xiàn)碳中和，人們正在開發(fā)和利用有助于擺脫化石燃料的多種技術(shù)，例如信息處理技術(shù)、電池技術(shù)、半導(dǎo)體、系統(tǒng)技術(shù)和電機(jī)技術(shù)等。為了利用先進(jìn)技術(shù)來創(chuàng)造和有效利用新能源，還需要針對(duì)新技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后的周邊技術(shù)。電容器、電感器、模塊元件、傳感器等也將出現(xiàn)新的技術(shù)需求。
上期我們介紹了“使用SiC/GaN功率半導(dǎo)體提高功率轉(zhuǎn)換效率，電容器、電感器等無源元件技術(shù)進(jìn)步的重要性”。電池對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和越來越重要，這里將對(duì)保持電池長(zhǎng)期處于健全狀態(tài)并安全使用電池所必不可缺的電池管理系統(tǒng)（BMS）及其中使用的電子元件進(jìn)行解說。
因全球變暖對(duì)策而突然受到關(guān)注的技術(shù)有多個(gè)，典型的有太陽能/風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車（EV）、功率半導(dǎo)體和燃料電池等。在這些技術(shù)中，電池是長(zhǎng)期以來一直很重要且被大范圍使用、近年來重要性急劇增加的電氣元件。
電池以前是玩具和手電筒等當(dāng)中、現(xiàn)在是筆記本電腦和智能手機(jī)等便攜式設(shè)備當(dāng)中必不可少的電源。然而，隨著迄今為止燃燒化石燃料的機(jī)器和設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)電氣化以及可再生能源的使用逐步推廣，電池的新用途正在迅速擴(kuò)大。人們比以往任何時(shí)候都更渴望推出高性能、高可靠性且安全的電池。
例如，像電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶和飛機(jī)那樣，將功率很高的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源/熱源的移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電氣化時(shí)，需要很先進(jìn)的電池。需要滿足以下全部高水平要求：實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的連續(xù)使用時(shí)間所需的大容量化、實(shí)現(xiàn)從小功率到大功率的快速充放電所需的高輸入/輸出化、實(shí)現(xiàn)即使反復(fù)充放電也能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生劣化的長(zhǎng)周期生命化、能在多種溫度、振動(dòng)和沖擊等條件下使用的高安全性等。
EV和ESS所需的電池，呈現(xiàn)大容量化、高電壓化和長(zhǎng)壽命化的趨勢(shì)。
然而，即使對(duì)于在電動(dòng)汽車等新場(chǎng)景使用的電池，其基本結(jié)構(gòu)和使用的材料也與智能手機(jī)中使用的傳統(tǒng)電池沒有太大區(qū)別。從容量、功率、壽命等多個(gè)角度來看，最易于使用的電池——鋰離子二次電池一直在使用，沒有進(jìn)行過重大改進(jìn)。
鋰離子二次電池的每個(gè)電芯（電池的最小構(gòu)成單位）的工作電壓在充滿電時(shí)約為4V，在放電后約為2V。用于智能手機(jī)的鋰離子二次電池的工作電壓也與此相同。此外，新推出的電動(dòng)汽車中配備的電池的每個(gè)電芯實(shí)現(xiàn)的容量約為26Ah。智能手機(jī)中的每個(gè)電芯的容量約為3Ah，電動(dòng)汽車中的電池確實(shí)有點(diǎn)大，但作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車這樣的重型機(jī)器的電池仍可以說比較小。
實(shí)際上，電動(dòng)汽車的電機(jī)采用400V至800V的高壓電源驅(qū)動(dòng)，為了獲得有實(shí)用性的續(xù)航里程，需要配備的電池容量很大，超過50kWh。通過將1000個(gè)以上的電芯組合并進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)排列，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的電池規(guī)格。將一定數(shù)量的電芯組合而成的高電壓、大容量化電池被稱為模塊，而將多個(gè)模塊進(jìn)一步組合而成的電池叫做電池包。
為了采用這種將小電芯組合成大電池的方法，需要先解決一個(gè)問題。
一般來說，每個(gè)電芯的容量和輸入/輸出等特性會(huì)因材料和制造的差異而具有個(gè)體差。而且，隨著反復(fù)充放電的進(jìn)行，其承受來自充放電等環(huán)境的應(yīng)力的能力也存在個(gè)體差，因此電芯之間的個(gè)體差呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這些個(gè)體差對(duì)由很多電芯構(gòu)成的模塊和電池包整體的壽命和輸出等特性會(huì)產(chǎn)生重大影響。這是因?yàn)槟K和電池包的特性是由所使用的電芯當(dāng)中性能和承受環(huán)境應(yīng)力的能力最差的電芯決定的。一般來說，各個(gè)電芯的周圍環(huán)境溫度、充放電時(shí)的電壓和電流都存在波動(dòng)（稱為“應(yīng)力強(qiáng)度”），因此對(duì)應(yīng)力的抵抗能力越低，劣化程度就越高。特別是如果由于過充（放）電、過熱、內(nèi)部短路等原因而導(dǎo)致容量不足或失去電源等，則可能會(huì)導(dǎo)致車輛無法控制或無法行駛，甚至引發(fā)事故。
BMS是有效利用電池的關(guān)鍵系統(tǒng)
在此背景下，為了長(zhǎng)期保持由多個(gè)電芯組合而成的模塊和電池包的性能并安全地使用，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可以將每個(gè)電芯的劣化降低到很小的工作環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)此目的而承擔(dān)對(duì)每個(gè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行密切監(jiān)視和控制的控制系統(tǒng)就是電池管理系統(tǒng)（BMS）。
在BMS當(dāng)中，對(duì)每個(gè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行高精度和高分辨率的持續(xù)監(jiān)控。對(duì)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控要使用對(duì)電壓、電流、溫度和泄漏等進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。而且，對(duì)充放電進(jìn)行控制并保持平衡使特性盡可能達(dá)到均一，從而對(duì)以電芯和模塊為單位的輕微不匹配和不平衡進(jìn)行補(bǔ)償。由此盡量改進(jìn)模塊和電池包的使用壽命和性能并確保安全性。
而且，通過微型計(jì)算機(jī)中的軟件控制將電池的規(guī)格和設(shè)計(jì)規(guī)定的使用范圍與收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并進(jìn)行：
1. 預(yù)防過度充電和過度放電導(dǎo)致電芯劣化并損害安全性的充放電控制；
2. 防止危險(xiǎn)的過電流的充放電控制；
3. 實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)動(dòng)作的溫度管理；
4. 電池剩余電量(SOC)計(jì)算；
5. 為盡量改進(jìn)續(xù)航距離和使用壽命而進(jìn)行的電芯電壓均等化(稱為電池平衡)等。
此外，如果檢測(cè)到過度充電或過熱等異常情況，會(huì)向其他車載系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并向具有斷開輸出電力功能的控制電路發(fā)出通知，從而防止事故發(fā)生。
BMS的性能取決于其內(nèi)置控制功能的多樣性和精度。但是，要實(shí)現(xiàn)高性能，其大前提是檢測(cè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)的傳感器和BMS電路中使用的許多電子元件具有高精度（圖3）。此外，由于需要監(jiān)控大量電芯，所以BMS電路構(gòu)成本身變得非常復(fù)雜，需要更小、更輕的傳感器和元件。
BMS的重要功能——電芯平衡技術(shù)，有兩種方式：
一種是被動(dòng)方式：利用放電開關(guān)讓高電壓電芯強(qiáng)制放電，將其與低電壓電芯之間的電容差轉(zhuǎn)化為熱量，實(shí)現(xiàn)電壓均等。
另一種是主動(dòng)方式：在容量和電壓不平衡的相鄰電芯之間流過電流使電芯的充電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)均等。為了將電池的潛在能力用盡，需要采用主動(dòng)方式。
為了將電池的潛在能力用盡，需要采用主動(dòng)方式。
BMS的性能取決于其內(nèi)置控制功能的多樣性和精度。但是，要實(shí)現(xiàn)高性能，其大前提是檢測(cè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)的傳感器和BMS電路中使用的許多電子元件具有高精度（下圖）。此外，由于需要監(jiān)控大量電芯，所以BMS電路構(gòu)成本身變得非常復(fù)雜，需要更小、更輕的傳感器和元件。
趨勢(shì)：無線BMS和AI BMS
在迄今為止的BMS中，通過將傳感器收集的數(shù)據(jù)與預(yù)先輸入的規(guī)則和控制范圍進(jìn)行比較來推測(cè)每個(gè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)。人們現(xiàn)在正在考慮引入讓人工智能（AI）學(xué)習(xí)電池的電化學(xué)現(xiàn)象的趨勢(shì)從而做出更準(zhǔn)確的推測(cè)的技術(shù)。期待通過使用名為“AI BMS”的技術(shù)能夠推測(cè)快速充電中的電芯性能并盡早發(fā)現(xiàn)電芯劣化。
此外，近年來，引進(jìn)將模塊之間及其與BMS之間的連接控制線無線化后的無線BMS（wBMS）受到了人們的關(guān)注。它能減少跨越模塊之間的電纜數(shù)量，因此能減輕重量并更容易在難以到達(dá)的位置進(jìn)行布線。應(yīng)用于電動(dòng)汽車的BMS時(shí)，據(jù)說每輛車可以減少大約10m的電纜以及有線連接時(shí)使用的連接器和變壓器。而且，還可以在空余的空間中配備電芯，從而增加電池容量。但是，與有線連接相比，信號(hào)傳輸路徑的環(huán)境不穩(wěn)定，故障風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。
目前已經(jīng)出現(xiàn)了將wBMS應(yīng)用到電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的動(dòng)向。要實(shí)現(xiàn)wBMS，需要應(yīng)用高可靠性、低延遲的無線技術(shù)。開發(fā)無線IC的半導(dǎo)體制造商在大多數(shù)場(chǎng)合下會(huì)建議使用特有標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)，其中大多數(shù)使用2.4GHz的ISM頻段無線。
在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池中可能會(huì)使用多個(gè)小型且高可靠性的無線模塊。隨著無線模塊的發(fā)展，可以適用wBMS的應(yīng)用范圍可能將進(jìn)一步擴(kuò)大。 |
