利用電子元件的力量幫助擺脫化石燃料

為了實(shí)現碳中和，人們正在開(kāi)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、系統技術(shù)和電機技術(shù)等。為了利用先進(jìn)技術(shù)來(lái)創(chuàng )造和有效利用新能源，還需要針對新技術(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換效率，電容器、電感器等無(wú)源元件技術(shù)進(jìn)步的重要性”。電池對于實(shí)現碳中和越來(lái)越重要，這里將對保持電池長(cháng)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（BMS）及其中使用的電子元件進(jìn)行解說(shuō)。

因全球變暖對策而突然受到關(guān)注的技術(shù)有多個(gè)，典型的有太陽(yáng)能/風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)（EV）、功率半導體和燃料電池等。在這些技術(shù)中，電池是長(cháng)期以來(lái)一直很重要且被大范圍使用、近年來(lái)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、現在是筆記本電腦和智能手機等便攜式設備當中必不可少的電源。然而，隨著(zhù)迄今為止燃燒化石燃料的機器和設備逐步實(shí)現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(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(chē)、電動(dòng)船舶和飛機那樣，將功率很高的發(fā)動(dòng)機作為動(dòng)力來(lái)源/熱源的移動(dòng)設備實(shí)現電氣化時(shí)，需要很先進(jìn)的電池。需要滿(mǎn)足以下全部高水平要求：實(shí)現更長(cháng)的連續使用時(shí)間所需的大容量化、實(shí)現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)現即使反復充放電也能在長(cháng)時(shí)間內不發(fā)生劣化的長(cháng)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，呈現大容量化、高電壓化和長(cháng)壽命化的趨勢。

然而，即使對于在電動(dòng)汽車(chē)等新場(chǎng)景使用的電池，其基本結構和使用的材料也與智能手機中使用的傳統電池沒(méi)有太大區別。從容量、功率、壽命等多個(gè)角度來(lái)看，最易于使用的電池——鋰離子二次電池一直在使用，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)重大改進(jìn)。

鋰離子二次電池的每個(gè)電芯（電池的最小構成單位）的工作電壓在充滿(mǎn)電時(shí)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(dòng)汽車(chē)中配備的電池的每個(gè)電芯實(shí)現的容量約為26Ah。智能手機中的每個(gè)電芯的容量約為3Ah，電動(dòng)汽車(chē)中的電池確實(shí)有點(diǎn)大，但作為驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)這樣的重型機器的電池仍可以說(shuō)比較小。

實(shí)際上，電動(dòng)汽車(chē)的電機采用400V至800V的高壓電源驅動(dòng)，為了獲得有實(shí)用性的續航里程，需要配備的電池容量很大，超過(guò)50kWh。通過(guò)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)現電動(dòng)汽車(chē)的電池規格。將一定數量的電芯組合而成的高電壓、大容量化電池被稱(chēng)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(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，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(zhù)反復充放電的進(jìn)行，其承受來(lái)自充放電等環(huán)境的應力的能力也存在個(gè)體差，因此電芯之間的個(gè)體差呈現增大的趨勢。這些個(gè)體差對由很多電芯構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)境應力的能力最差的電芯決定的。一般來(lái)說(shuō)，各個(gè)電芯的周?chē)�環(huán)境溫度、充放電時(shí)的電壓和電流都存在波動(dòng)（稱(chēng)為“應力強度”），因此對應力的抵抗能力越低，劣化程度就越高。特別是如果由于過(guò)充（放）電、過(guò)熱、內部短路等原因而導致容量不足或失去電源等，則可能會(huì )導致車(chē)輛無(wú)法控制或無(wú)法行駛，甚至引發(fā)事故。

BMS是有效利用電池的關(guān)鍵系統

在此背景下，為了長(cháng)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，需要創(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)現此目的而承擔對每個(gè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行密切監視和控制的控制系統就是電池管理系統（BMS）。

在BMS當中，對每個(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監控。對電芯的動(dòng)作和狀態(tài)進(jìn)行監控要使用對電壓、電流、溫度和泄漏等進(jìn)行監測的傳感器。而且，對充放電進(jìn)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(jìn)行補償。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(guò)微型計算機中的軟件控制將電池的規格和設計規定的使用范圍與收集到的數據進(jìn)行比較，并進(jìn)行：

1. 預防過(guò)度充電和過(guò)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(guò)電流的充放電控制；
3. 實(shí)現安全平穩動(dòng)作的溫度管理；
4. 電池剩余電量(SOC)計算；
5. 為盡量改進(jìn)續航距離和使用壽命而進(jìn)行的電芯電壓均等化(稱(chēng)為電池平衡)等。

此外，如果檢測到過(guò)度充電或過(guò)熱等異常情況，會(huì )向其他車(chē)載系統發(fā)出警報并向具有斷開(kāi)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的性能取決于其內置控制功能的多樣性和精度。但是，要實(shí)現高性能，其大前提是檢測電芯的動(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，由于需要監控大量電芯，所以BMS電路構成本身變得非常復雜，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(kāi)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化為熱量，實(shí)現電壓均等。

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(guò)電流使電芯的充電狀態(tài)實(shí)現均等。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的性能取決于其內置控制功能的多樣性和精度。但是，要實(shí)現高性能，其大前提是檢測電芯的動(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，由于需要監控大量電芯，所以BMS電路構成本身變得非常復雜，需要更小、更輕的傳感器和元件。

趨勢：無(wú)線(xiàn)BMS和AI BMS

在迄今為止的BMS中，通過(guò)將傳感器收集的數據與預先輸入的規則和控制范圍進(jìn)行比較來(lái)推測每個(gè)電芯的動(dòng)作和狀態(tài)。人們現在正在考慮引入讓人工智能（AI）學(xué)習電池的電化學(xué)現象的趨勢從而做出更準確的推測的技術(shù)。期待通過(guò)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)現電芯劣化。

此外，近年來(lái)，引進(jìn)將模塊之間及其與BMS之間的連接控制線(xiàn)無(wú)線(xiàn)化后的無(wú)線(xiàn)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量，因此能減輕重量并更容易在難以到達的位置進(jìn)行布線(xiàn)。應用于電動(dòng)汽車(chē)的BMS時(shí)，據說(shuō)每輛車(chē)可以減少大約10m的電纜以及有線(xiàn)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(xiàn)連接相比，信號傳輸路徑的環(huán)境不穩定，故障風(fēng)險會(huì )增加。

目前已經(jīng)出現了將wBMS應用到電動(dòng)汽車(chē)和大型儲能系統（ESS）的動(dòng)向。要實(shí)現wBMS，需要應用高可靠性、低延遲的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)IC的半導體制造商在大多數場(chǎng)合下會(huì )建議使用特有標準的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，其中大多數使用2.4GHz的ISM頻段無(wú)線(xiàn)。

在電動(dòng)汽車(chē)和儲能系統的電池中可能會(huì )使用多個(gè)小型且高可靠性的無(wú)線(xiàn)模塊。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)展，可以適用wBMS的應用范圍可能將進(jìn)一步擴大。