從電動汽車續(xù)航痛點到安全挑戰(zhàn) SiC功率元器件的作用逐漸在顯現(xiàn)

動力電池是新能源汽車的核心能量源。為保障電池高效、可靠、安全運行，需要通過電池管理系統(tǒng)（BMS）對動力電池進行實時監(jiān)控、故障診斷、SOC 估算、短路保護等，并通過 CAN 總線與車輛集成控制器進行信息交互。BMS 在業(yè)內(nèi)被稱為電動汽車動力電池系統(tǒng)的“大腦”，與動力電池、整車控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了電動汽車的三大核心技術(shù)。

《中國 BMS 電池管理系統(tǒng)市場研究報告告（2019 版）》顯示，BMS 最核心的三大功能為電芯監(jiān)控、荷電狀態(tài)（SOC）估算以及單體電池均衡。BMS 監(jiān)測到單體鋰電池芯的工作溫度和電量，并自動采取措施均衡單體鋰電池芯的充放電電流和防止過溫現(xiàn)象發(fā)生。能使電動汽車動力電池在各種工作條件下獲得最佳的性能、最長的使用壽命，是發(fā)展電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。

但是 BMS 同時面臨整合優(yōu)化、小型化、電流精度提高等問題，在與非網(wǎng)策劃的《BMS的新使命》專題中，我們邀請到羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司技術(shù)中心助理經(jīng)理林其鋒先生進行討論。

電動汽車續(xù)航和充電問題如何雙解？

相對于燃油汽車，續(xù)航里程短、充電時間長一直是電動汽車的痛點，BMS 從哪些方面可以改善電動汽車的續(xù)航里程和充電時間？林其鋒對與非網(wǎng)表示，“BMS 負責實時監(jiān)控電池的狀態(tài)。對于改善續(xù)航里程來說，其中一個方法是通過提高 BMS 的監(jiān)控精度來有效地利用有限的電池容量。羅姆開發(fā)了一種用于監(jiān)控流入流出電荷量的庫侖計數(shù)器 IC。使用這種庫侖計數(shù)器 IC，可通過高精度的模擬電流檢測和利用硬件進行的實時電流計算，將電流積分精度從以往的±5%提高到±1%，這將非常有助于改善電池容量的估算精度?！?/p>

另外，對于改善充電時間方面，林其鋒認為，提高電池電壓是近年來的一個趨勢。電池電壓從原來的 400V 提高到 800V，提高了 2 倍，這可以顯著縮短充電時間，因此也就要求配置于 BMS 的控制用功率元器件(以往的 MOSFET 和 IGBT 等)也要提高耐壓性能。羅姆提供的?SiC?功率元器件，不僅耐壓高達 1000V 以上，而且產(chǎn)品特性受溫度影響極小，非常有助于提高電池的電壓。

有效解決電動汽車安全挑戰(zhàn)，SiC功率元器件的作用在顯現(xiàn)

隨著電動汽車的普及度增高，電動汽車的安全問題越來越受到用戶關(guān)注，尤其是在電池監(jiān)控方面，芯片廠家和方案廠家都在盡力通過技術(shù)手段實現(xiàn)更高精準度的實時監(jiān)控。BMS 不僅負責防止電池出現(xiàn)異常電壓、異常電流、異常溫度等情況，而且，作為最后一個要塞，它在安全隔離電池和電機等應(yīng)用（負載）方面也發(fā)揮著重要作用，在 xEV 等的電池外圍，使用機械繼電器來關(guān)閉電源。而機械繼電器存在機械部分的磨損帶來的故障問題，因此，未來有望由 SiC 功率元器件帶動半導(dǎo)體繼電器的普及。采用半導(dǎo)體繼電器，不僅可以避免磨損故障，同時還可以在發(fā)生過電流時快速關(guān)閉電源，從而能夠更安全地使用電池。

林其鋒介紹，羅姆一直在開發(fā) BMS 用的產(chǎn)品，比如以 SiC 為首的功率元器件和電流檢測用的電阻器等，以及小信號分立元器件、驅(qū)動控制用微控制器的電源 IC 等。未來，羅姆還將推出支持多節(jié)串聯(lián)電池的產(chǎn)品，繼續(xù)提供最適合包括新一代電池在內(nèi)的各種電池的 BMS 解決方案。

當然電動汽車的 BMS 也存在兩個課題，一個小型化課題，一個是提高電流檢測精度的課題。羅姆在兩個方面都有所涉及，針對精度的提高，利用前面提到的羅姆開發(fā)的庫倫計數(shù)器 IC 來統(tǒng)計流入流出的電荷量，能夠?qū)㈦娏鞣e分精度從以往的±5%提高到±1%，可以實現(xiàn)更高精度的電流檢測；針對小型化問題，例如隨著串聯(lián)電池節(jié)數(shù)的增加，用于各節(jié)電池電量均衡的電阻數(shù)也隨之增加，這就亟需一種解決方案。羅姆開發(fā)的支持大功率的長邊電極結(jié)構(gòu)的貼片電阻器 LTR 系列，散熱性能更加優(yōu)異，而且與以往產(chǎn)品相比，安裝面積僅需要 1/4 左右。

BMS整合優(yōu)化持續(xù)進行，電池壽命有望得到改善

在未來，BMS 依然需要整合和優(yōu)化，林其鋒提出另一種解決方案，他認為，有效使用電池的另一個課題是電池組的形狀。例如，EV 需要能夠安裝在有限的空間中，并且能夠適用于各種車型的電池形狀。作為其解決方案，BMS 呈現(xiàn)無線化趨勢。無線 BMS 能夠使更改電池布局變得更加容易。

電池壽命一直是電動汽車面臨的重要課題，要想延長電池壽命，準確監(jiān)控電池的使用環(huán)境是非常重要的因素。這就需要能夠高精度地檢測電壓、電流、溫度等參數(shù)的技術(shù)。另一個方法是改善連接電池的逆變器的負載效率。比如，在逆變器中采用羅姆提供的 SiC 功率元器件，與采用 Si-IGBT 相比，一般能提高效率達 8%左右。將電池的重量減輕 8%也能夠行駛相同的距離，因此有望通過減輕車輛重量來改善效率。

林其鋒強調(diào)，“作為供應(yīng)功率元器件、LSI、電阻器、小信號分立元器件等眾多元器件的綜合性半導(dǎo)體制造商，羅姆可以提供解決客戶課題的最佳解決方案。羅姆將通過提高電子元器件技術(shù)，繼續(xù)助力 BMS 提高電池的性能與品質(zhì)?！?/p>