利用電子元件的力量幫助擺脫化石燃料
為了實現(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)、半導體、系統(tǒng)技術(shù)和電機技術(shù)等。為了利用先進技術(shù)來創(chuàng)造和有效利用新能源，還需要針對新技術(shù)進行優(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)進步的重要性”。電池對于實現(xiàn)碳中和越來越重要，這里將對保持電池長期處于健全狀態(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行解說。
因全球變暖對策而突然受到關(guān)注的技術(shù)有多個，典型的有太陽能/風力發(fā)電、電動汽車（EV）、功率半導體和燃料電池等。在這些技術(shù)中，電池是長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中、現(xiàn)在是筆記本電腦和智能手機等便攜式設(shè)備當中必不可少的電源。然而，隨著迄今為止燃燒化石燃料的機器和設(shè)備逐步實現(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大。人們比以往任何時候都更渴望推出高性能、高可靠性且安全的電池。
例如，像電動汽車、電動船舶和飛機那樣，將功率很高的發(fā)動機作為動力來源/熱源的移動設(shè)備實現(xiàn)電氣化時，需要很先進的電池。需要滿足以下全部高水平要求：實現(xiàn)更長的連續(xù)使用時間所需的大容量化、實現(xiàn)從小功率到大功率的快速充放電所需的高輸入/輸出化、實現(xiàn)即使反復(fù)充放電也能在長時間內(nèi)不發(fā)生劣化的長周期生命化、能在多種溫度、振動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、高電壓化和長壽命化的趨勢。
然而，即使對于在電動汽車等新場景使用的電池，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，沒有進行過重大改進。
鋰離子二次電池的每個電芯（電池的最小構(gòu)成單位）的工作電壓在充滿電時約為4V，在放電后約為2V。用于智能手機的鋰離子二次電池的工作電壓也與此相同。此外，新推出的電動汽車中配備的電池的每個電芯實現(xiàn)的容量約為26Ah。智能手機中的每個電芯的容量約為3Ah，電動汽車中的電池確實有點大，但作為驅(qū)動電動汽車這樣的重型機器的電池仍可以說比較小。
實際上，電動汽車的電機采用400V至800V的高壓電源驅(qū)動，為了獲得有實用性的續(xù)航里程，需要配備的電池容量很大，超過50kWh。通過將1000個以上的電芯組合并進行串聯(lián)和并聯(lián)排列，從而實現(xiàn)電動汽車的電池規(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，而將多個模塊進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，需要先解決一個問題。
一般來說，每個電芯的容量和輸入/輸出等特性會因材料和制造的差異而具有個體差。而且，隨著反復(fù)充放電的進行，其承受來自充放電等環(huán)境的應(yīng)力的能力也存在個體差，因此電芯之間的個體差呈現(xiàn)增大的趨勢。這些個體差對由很多電芯構(gòu)成的模塊和電池包整體的壽命和輸出等特性會產(chǎn)生重大影響。這是因為模塊和電池包的特性是由所使用的電芯當中性能和承受環(huán)境應(yīng)力的能力最差的電芯決定的。一般來說，各個電芯的周圍環(huán)境溫度、充放電時的電壓和電流都存在波動（稱為“應(yīng)力強度”），因此對應(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)部短路等原因而導致容量不足或失去電源等，則可能會導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，為了長期保持由多個電芯組合而成的模塊和電池包的性能并安全地使用，需要創(chuàng)建一個可以將每個電芯的劣化降低到很小的工作環(huán)境。為了實現(xiàn)此目的而承擔對每個電芯的動作和狀態(tài)進行密切監(jiān)視和控制的控制系統(tǒng)就是電池管理系統(tǒng)（BMS）。
在BMS當中，對每個電芯的動作和狀態(tài)進行高精度和高分辨率的持續(xù)監(jiān)控。對電芯的動作和狀態(tài)進行監(jiān)控要使用對電壓、電流、溫度和泄漏等進行監(jiān)測的傳感器。而且，對充放電進行控制并保持平衡使特性盡可能達到均一，從而對以電芯和模塊為單位的輕微不匹配和不平衡進行補償。由此盡量改進模塊和電池包的使用壽命和性能并確保安全性。
而且，通過微型計算機中的軟件控制將電池的規(guī)格和設(shè)計規(guī)定的使用范圍與收集到的數(shù)據(jù)進行比較，并進行：
1. 預(yù)防過度充電和過度放電導致電芯劣化并損害安全性的充放電控制；
2. 防止危險的過電流的充放電控制；
3. 實現(xiàn)安全平穩(wěn)動作的溫度管理；
4. 電池剩余電量(SOC)計算；
5. 為盡量改進續(xù)航距離和使用壽命而進行的電芯電壓均等化(稱為電池平衡)等。
此外，如果檢測到過度充電或過熱等異常情況，會向其他車載系統(tǒng)發(fā)出警報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，要實現(xiàn)高性能，其大前提是檢測電芯的動作和狀態(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：
一種是被動方式：利用放電開關(guān)讓高電壓電芯強制放電，將其與低電壓電芯之間的電容差轉(zhuǎn)化為熱量，實現(xiàn)電壓均等。
另一種是主動方式：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)實現(xiàn)均等。為了將電池的潛在能力用盡，需要采用主動方式。
為了將電池的潛在能力用盡，需要采用主動方式。
BMS的性能取決于其內(nèi)置控制功能的多樣性和精度。但是，要實現(xiàn)高性能，其大前提是檢測電芯的動作和狀態(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：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)則和控制范圍進行比較來推測每個電芯的動作和狀態(tài)。人們現(xiàn)在正在考慮引入讓人工智能（AI）學習電池的電化學現(xiàn)象的趨勢從而做出更準確的推測的技術(shù)。期待通過使用名為“AI BMS”的技術(shù)能夠推測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的位置進行布線。應(yīng)用于電動汽車的BMS時，據(jù)說每輛車可以減少大約10m的電纜以及有線連接時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，信號傳輸路徑的環(huán)境不穩(wěn)定，故障風險會增加。
目前已經(jīng)出現(xiàn)了將wBMS應(yīng)用到電動汽車和大型儲能系統(tǒng)（ESS）的動向。要實現(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的半導體制造商在大多數(shù)場合下會建議使用特有標準的無線技術(shù)，其中大多數(shù)使用2.4GHz的ISM頻段無線。
在電動汽車和儲能系統(tǒng)的電池中可能會使用多個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)用范圍可能將進一步擴大。 |
