從電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航痛點(diǎn)到安全挑戰(zhàn) SiC功率元器件的作用逐漸在顯現(xiàn)

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心能量源。為保障電池高效、可靠、安全運(yùn)行，需要通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、SOC 估算、短路保護(hù)等，并通過(guò) CAN 總線(xiàn)與車(chē)輛集成控制器進(jìn)行信息交互。BMS 在業(yè)內(nèi)被稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”，與動(dòng)力電池、整車(chē)控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了電動(dòng)汽車(chē)的三大核心技術(shù)。

《中國(guó) BMS 電池管理系統(tǒng)市場(chǎng)研究報(bào)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(cè)到單體鋰電池芯的工作溫度和電量，并自動(dòng)采取措施均衡單體鋰電池芯的充放電電流和防止過(guò)溫現(xiàn)象發(fā)生。能使電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池在各種工作條件下獲得最佳的性能、最長(zhǎng)的使用壽命，是發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

但是 BMS 同時(shí)面臨整合優(yōu)化、小型化、電流精度提高等問(wèn)題，在與非網(wǎng)策劃的《BMS的新使命》專(zhuān)題中，我們邀請(qǐng)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(jìn)行討論。

電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航和充電問(wèn)題如何雙解？

相對(duì)于燃油汽車(chē)，續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)一直是電動(dòng)汽車(chē)的痛點(diǎn)，BMS 從哪些方面可以改善電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和充電時(shí)間？林其鋒對(duì)與非網(wǎng)表示，“BMS 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的狀態(tài)。對(duì)于改善續(xù)航里程來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)方法是通過(guò)提高 BMS 的監(jiān)控精度來(lái)有效地利用有限的電池容量。羅姆開(kāi)發(fā)了一種用于監(jiān)控流入流出電荷量的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 IC。使用這種庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 IC，可通過(guò)高精度的模擬電流檢測(cè)和利用硬件進(jìn)行的實(shí)時(shí)電流計(jì)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。”

另外，對(duì)于改善充電時(shí)間方面，林其鋒認(rèn)為，提高電池電壓是近年來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。電池電壓從原來(lái)的 400V 提高到 800V，提高了 2 倍，這可以顯著縮短充電時(shí)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(dá) 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(dòng)汽車(chē)安全挑戰(zhàn)，SiC功率元器件的作用在顯現(xiàn)

隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及度增高，電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題越來(lái)越受到用戶(hù)關(guān)注，尤其是在電池監(jiān)控方面，芯片廠(chǎng)家和方案廠(chǎng)家都在盡力通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)更高精準(zhǔn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。BMS 不僅負(fù)責(zé)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(gè)要塞，它在安全隔離電池和電機(jī)等應(yīng)用（負(fù)載）方面也發(fā)揮著重要作用，在 xEV 等的電池外圍，使用機(jī)械繼電器來(lái)關(guān)閉電源。而機(jī)械繼電器存在機(jī)械部分的磨損帶來(lái)的故障問(wèn)題，因此，未來(lái)有望由 SiC 功率元器件帶動(dòng)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(shí)還可以在發(fā)生過(guò)電流時(shí)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(kāi)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(cè)用的電阻器等，以及小信號(hào)分立元器件、驅(qū)動(dòng)控制用微控制器的電源 IC 等。未來(lái)，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(dāng)然電動(dòng)汽車(chē)的 BMS 也存在兩個(gè)課題，一個(gè)小型化課題，一個(gè)是提高電流檢測(cè)精度的課題。羅姆在兩個(gè)方面都有所涉及，針對(duì)精度的提高，利用前面提到的羅姆開(kāi)發(fā)的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器 IC 來(lái)統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)更高精度的電流檢測(cè)；針對(duì)小型化問(wèn)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(kāi)發(fā)的支持大功率的長(zhǎng)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(jìn)行，電池壽命有望得到改善

在未來(lái)，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(rèn)為，有效使用電池的另一個(gè)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(chē)型的電池形狀。作為其解決方案，BMS 呈現(xiàn)無(wú)線(xiàn)化趨勢(shì)。無(wú)線(xiàn) 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(dòng)汽車(chē)面臨的重要課題，要想延長(zhǎng)電池壽命，準(zhǔn)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(cè)電壓、電流、溫度等參數(shù)的技術(shù)。另一個(gè)方法是改善連接電池的逆變器的負(fù)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(dá) 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(guò)減輕車(chē)輛重量來(lái)改善效率。

林其鋒強(qiáng)調(diào)，“作為供應(yīng)功率元器件、LSI、電阻器、小信號(hào)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(hù)課題的最佳解決方案。羅姆將通過(guò)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)。”