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从电动汽车续航痛点到安全挑战 SiC功率元器件的作用逐渐在显现

2020年02月27日 15:49 次阅读

动力电池是新能源汽车的核心能量源。为保障电池高效、可靠、安全运行,需要通过电池管理系统(BMS)对动力电池进行实时监控、故障诊断、SOC 估算、短路保护等,并通过 CAN 总线与车辆集成控制器进行信息交互。BMS 在业内被称为电动汽车动力电池系统的“大脑”,与动力电池、整车控制系统共同构成了电动汽车的三大核心技术。

《中国 BMS 电池管理系统市场研究报告告(2019 版)》显示,BMS 最核心的三大功能为电芯监控、荷电状态(SOC)估算以及单体电池均衡。BMS 监测到单体锂电池芯的工作温度和电量,并自动采取措施均衡单体锂电池芯的充放电电流和防止过温现象发生。能使电动汽车动力电池在各种工作条件下获得最佳的性能、最长的使用寿命,是发展电动汽车的关键技术之一。

但是 BMS 同时面临整合优化、小型化、电流精度提高等问题,在与非网策划的《BMS的新使命》专题中,我们邀请到罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心助理经理林其锋先生进行讨论。

从电动汽车续航痛点到安全挑战 SiC功率元器件的作用逐渐在显现

电动汽车续航和充电问题如何双解?

相对于燃油汽车,续航里程短、充电时间长一直是电动汽车的痛点,BMS 从哪些方面可以改善电动汽车的续航里程和充电时间?林其锋对与非网表示,“BMS 负责实时监控电池的状态。对于改善续航里程来说,其中一个方法是通过提高 BMS 的监控精度来有效地利用有限的电池容量。罗姆开发了一种用于监控流入流出电荷量的库仑计数器 IC。使用这种库仑计数器 IC,可通过高精度的模拟电流检测和利用硬件进行的实时电流计算,将电流积分精度从以往的±5%提高到±1%,这将非常有助于改善电池容量的估算精度。”

另外,对于改善充电时间方面,林其锋认为,提高电池电压是近年来的一个趋势。电池电压从原来的 400V 提高到 800V,提高了 2 倍,这可以显著缩短充电时间,因此也就要求配置于 BMS 的控制用功率元器件(以往的 MOSFETIGBT 等)也要提高耐压性能。罗姆提供的 SiC 功率元器件,不仅耐压高达 1000V 以上,而且产品特性受温度影响极小,非常有助于提高电池的电压。

有效解决电动汽车安全挑战,SiC功率元器件的作用在显现

随着电动汽车的普及度增高,电动汽车的安全问题越来越受到用户关注,尤其是在电池监控方面,芯片厂家和方案厂家都在尽力通过技术手段实现更高精准度的实时监控。BMS 不仅负责防止电池出现异常电压、异常电流、异常温度等情况,而且,作为最后一个要塞,它在安全隔离电池和电机等应用(负载)方面也发挥着重要作用,在 xEV 等的电池外围,使用机械继电器来关闭电源。而机械继电器存在机械部分的磨损带来的故障问题,因此,未来有望由 SiC 功率元器件带动半导体继电器的普及。采用半导体继电器,不仅可以避免磨损故障,同时还可以在发生过电流时快速关闭电源,从而能够更安全地使用电池。

林其锋介绍,罗姆一直在开发 BMS 用的产品,比如以 SiC 为首的功率元器件和电流检测用的电阻器等,以及小信号分立元器件、驱动控制用微控制器的电源 IC 等。未来,罗姆还将推出支持多节串联电池的产品,继续提供最适合包括新一代电池在内的各种电池的 BMS 解决方案。

当然电动汽车的 BMS 也存在两个课题,一个小型化课题,一个是提高电流检测精度的课题。罗姆在两个方面都有所涉及,针对精度的提高,利用前面提到的罗姆开发的库伦计数器 IC 来统计流入流出的电荷量,能够将电流积分精度从以往的±5%提高到±1%,可以实现更高精度的电流检测;针对小型化问题,例如随着串联电池节数的增加,用于各节电池电量均衡的电阻数也随之增加,这就亟需一种解决方案。罗姆开发的支持大功率的长边电极结构的贴片电阻器 LTR 系列,散热性能更加优异,而且与以往产品相比,安装面积仅需要 1/4 左右。

BMS整合优化持续进行,电池寿命有望得到改善

在未来,BMS 依然需要整合和优化,林其锋提出另一种解决方案,他认为,有效使用电池的另一个课题是电池组的形状。例如,EV 需要能够安装在有限的空间中,并且能够适用于各种车型的电池形状。作为其解决方案,BMS 呈现无线化趋势。无线 BMS 能够使更改电池布局变得更加容易。

电池寿命一直是电动汽车面临的重要课题,要想延长电池寿命,准确监控电池的使用环境是非常重要的因素。这就需要能够高精度地检测电压、电流、温度等参数的技术。另一个方法是改善连接电池的逆变器的负载效率。比如,在逆变器中采用罗姆提供的 SiC 功率元器件,与采用 Si-IGBT 相比,一般能提高效率达 8%左右。将电池的重量减轻 8%也能够行驶相同的距离,因此有望通过减轻车辆重量来改善效率。

林其锋强调,“作为供应功率元器件、LSI、电阻器、小信号分立元器件等众多元器件的综合性半导体制造商,罗姆可以提供解决客户课题的最佳解决方案。罗姆将通过提高电子元器件技术,继续助力 BMS 提高电池的性能与品质。”

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