【慧聪电子网】在半导体业者的努力下，新一代电池堆叠监控晶片已可同时比较电池电压与参考电压，达到更精密且精准的电压检测，以及可靠的电池状态评估，并大幅降低目前汽车锂电池管理系统(BMS)对软体与高流量数据传输设计的需求。

    如果欧洲政府能迈向另一个成功，未来几年内我们将看见更多混合动力车与纯电动车行驶于道路上；而由于目前汽车以锂离子作为电池化学物质的首选，锂电池管理系统(BMS)势必在将来迅速盛行。

    在汽车领域中，许多新设计案件都有ISO26262功能安全标准的影身影；从ISO2626设计与文件制作过程，看得出技术人员对于汽车系统设计所做的努力。锂电池BMS的应用涵盖复杂的软体与先进处理器的设计，让汽车供应商希望能纳入比ISO26262协定更多的资源。

    新的电池管理系统架构只需要简单的低阶微控制器(MCU)，同时还能改善电池监控性能。本文将阐述它的结构，以及如何使遵循ISO26262协定的过程更加顺利。

    汽车系统设计首重功能性安全

    现今汽车设计系统对于功能性安全的考量，已逐渐超过原先对外观设计的注重，而且严谨的安全设计需要良好的故障检测功能，才能确保系统在一般使用情境中是安全的。以上都是促进功能性安全设计发展的因素。

    在安全要求较高的系统内，遵循协定的负担会因为半导体制造商严谨的行为模式与硬体元件流程设计的文件制作，而大大减轻，如车用IC开发商提供客户故障时间(FIT)、错误模式与安全功能等数据，并记录在“失效模式影响与诊断分析数据(FMEDA)”上。

    若须从监测系统中的锂电池读取重要电压读数，BMS要在感测器与高阶处理器间，建置结构复杂的软体与高灵敏的通讯连结。然而，要进一步证明这些连结符合ISO26262功能安全标准，对BMS制造商而言会是很大的难题与挑战。

    新BMS设计架构出炉

    BMS的基本功能是安全地管理电池、延长它的生命周期与缩短充电时间。以锂电池而言，BMS会持续提供充电状态(SOC)、健康状态(SOH)与电压的状态，让驾驶掌握运作情形；而系统也会以此决定充电或放电的程序、诊断潜在失误并执行因应措施以确保功能性安全。

    化学电池的本质是利用可燃物质与氧气提供小容量的能源储蓄能力，所以锂电池比一般密封的铅蓄电池更无法容许物质滥用，特别是电池电压与电池温度必须根据规定严格控制，以避免电池损坏、失效与燃烧等会威胁到安全性的隐忧。

    在业界所研发的新结构中，BMS采用电池组监控器与电池监控系统。电池组监控器能测量电池整体的电压、温度与电流，是由双通道感测器介面及精密分流电阻与精密电池组电压衰减器实作而成。

    电池监控器能测量个别电池电压与特定区域温度，只要比较总电压与量测到的电池电压，它就可以确认BMS是否良好运作。这种设计的好处在于它是由完全独立的测量系统，来验证涵盖感测线至软体比较器的整个电池测量讯号路径。与传统让每颗IC都符合功能性安全的设计相比，新的架构可提供更全面的系统层级验证。

    目前的传统结构虽然能精准量测个别电池电压与检测电池SOC，然这种方法与锂电池特性冲突：锂电池电压在放电20?80%之间几乎不动，装置必须能测量到极微小的电压，才能准确追踪SOC变化，但车用锂电池会耗费所有时间在检测SOC放电状态。由于电池必须保留顶部空间以吸收运转产生的再生能量，因此一般来说不会将电池完全充满。

    想要达到极精密与精准的汽车电池电压量测试，是几乎行不通的。相较之下，以零偏移的晶片进行分流器电流检测会更简单、精准，它加强库伦整合方法，即使由相对不精准电压来计算，也能有精准与可靠的SOC评估。

    过度复杂的软体渐不适用

    当监控电池电压时，目前惯用的方法是先依序测量个别电池电压，并尽可能即时传送数据至主机控制器。控制器软体会将电压与电流读数转换成SOC、SOH与电池安全工作区分析等实用资料。

    此方法主要的缺陷在于对复杂软体与高流量数据传输的需求。

    ．BMS需要有良好处理能力的控制器才能负荷复杂的程式，但是价格相对比较昂贵。

    ．复杂的安全系统软体设计与功能性安全验证，会需要很长的研发时间与很高的成本。

    ．感测器与主机间的电压读数传输时，系统必须克服噪音与隔间的干扰，同时管理高电压至低电压区域传输。隔离耦合器与外壳等的外部元件也会增加系统的成本与复杂度。

    提供更简化结构区域电池监控问世

    现已有汽车锂电池的全新管理技术可以应用，此技术采用可进行区域监控的新IC。电压测量以类比功能执行，透过比较器将电池电压与参考电压做比较。

    关键在于将电池电压同时进行比较，而非依序量测，这会提供更多可靠结果。在连续系统中，一个电压测量值与下一个之间的区间负载变化，会造成不同电池间的电压，其电压差异容易误导管理者，因为没有复杂的应用软体与带时间标记的电压读数、电流测量配对，往往会有无效的BMS读数，进而为考虑到负载变化而进行电压读数补偿。以上为该软体扩展至现今BMS系统的开发与规范流程。

    新一代的电池堆叠监控器IC(图1)，电池电压可同时与整个电池链比较。而电池链则由三十二个各能支援七个电池的IC堆叠而成，总共有二百二十四颗电池。因为新款电池堆叠监控晶片是同时比较所有电池，而非依序比较，因此不需另外的软体程式来补偿负载变化产生的效果。至于SOC与SOH评估的部分，传统BMS整合了12位元连续渐进暂存器(SAR)类比数位转换器(ADC)以测量绝对电池电压。每当需要SOC/SOH评估和诊断时，这些测量数据就会透过菊花链(DaisyChain)低速传送到主机。所有需要即时完成的监控与平衡决策，会在硬体上进行，直接由诊断标志做沟通，因此快速并非沟通通道的必要需求。

    图1新一代电池堆叠监控晶片可同时比较电池电压，因此省去依序执行电池量测并在软体中比较时所需的复杂补偿演算法。

    新一代电池堆叠监控晶片能让各模组中的七颗电池电压比较误差范围缩至仅±1mV。整合的比较功能让该晶片能实现局部电池被动平衡。汽车制造商采用的高品质锂电池中，自放电电流或电流监控IC引出电流之间的微小差异，会产生电池间的SOC不平衡，进而产生电压。

这些微小的平衡差异可以由小于100毫安培、上述可程式临界值上限电压的电流平衡放电纠正，这是该晶片中具备的切换能力。

    新款电池堆叠监控晶片不须要与主机通讯就能达到电池平衡，其极高的电压精准度能够平衡SOC中间的磷酸铁锂电池，而这七颗电池之间的电压差，则微小到甚至能被忽略。为支援BMS，该晶片必须把它的绝对读数传给控制器，但是对系统设计师来说，由于该架构支援双向沟通，比较容易达到安全性功能目标。诊断讯号有先后处理顺序：当电池电压在安全临界值，讯号必须马上送至控制器，以采取必要的反制措施。讯号会透过专用CVT_NOK_OUT点传送，以警告微控制器有一个或多个工作电压范围外的电池电压。

    SOC与SOH监控的目的在于透过替代连结传送个别电池电压读数，该替代连结为缓慢且稳定的通讯通道序列与循环冗余核对(CRC)，具有高度的抗干扰性。

    锂电池监控与平衡若采用可提供同步电压比较与区域被动电池平衡的架构，整体应用会更简单、成本也能降低，让汽车制造商免于成本过高的困扰，也能降低目前锂电池管理系统中以软体为基础的汽车监控与平衡的复杂度。

    随着环保问题越来越多地受到更多国家的关注，新能源汽车也不断地在更多的国家被研发推广。不过，值得注意的是，作为新能源汽车产业链中的重要组成部分，动力电池发展在提高性能的同时，回收与再利用模式的探索已成为一个不可忽视的问题。

    应及早研究再利用问题

    最近一段时间，我国不断出现的严重空气污染，引起了老百姓及国家相关部门的高度重视。对此，有关专家表示，未来国家可能进一步加大对新能源汽车的政策支持。一旦电动汽车市场规模化启动，将给动力电池市场带来爆发式增长。

    据了解，目前我国动力电池研究主要集中在提高其安全性能及使用寿命等方面，而回收利用环节却严重脱节。比如作为动力电池的锂离子电池不含汞、镉、铅等毒害大的重金属元素，但其正负极材料、电解质溶液等物质对环境还是有很大影响。有研究机构预测，随着电动车需求全面攀升，到2017年锂将供不应求。因此，应及早着手研究动力电池回收及再利用问题。

    很多人都知道，动力电池价格偏高是目前限制电动汽车推广的重要因素之一。相关资料显示，动力锂电池使用寿命约20年，但用于汽车动力却只有3~5年。因在其容量衰减至初始容量的80%以下时，电动汽车的续航里程会明显减少，但对于储能系统来说，这些电池仍具有较大的使用价值。

    按照《节能与新能源汽车产业发展规划(2011～2020)》，建立动力电池梯级利用和回收管理体系应该是一种可行的选择。比如，容量低于80%的电池从电动汽车上退下后，可继续用于电网储能，或作为电动场地车等低速车的动力源。而从储能设备或低速电动车上二次淘汰下来的电池，可能还有其他第三次、第四次利用。如此这种阶梯式利用，可让动力电池价值得到充分发挥，从而达到降低电池在汽车使用阶段的成本，推动电动汽车提前普及。

    回收或许是未来竞争主战场

    据中国汽车技术研究中心专家黎宇科介绍，预计2015年，动力电池累计报废量约在2-4万吨左右，到2020年前后，我国仅纯电动(含插电式)乘用车和混合动力乘用车动力电池累计报废量将达到12~17万吨的规模。

    据介绍，镍氢动力电池主要回收对象为镍、钴和稀土元素，回收技术工艺已经成熟；锂电池中铜、铝、镍和钴为主要回收对象。目前锂离子电池各种正极材料中三元系正极材料回收价值最高，磷酸铁锂、锰酸锂类正极材料回收价值较小，且锂电池回收工艺成本较高。

    记者了解到，回收电池的技术路线比较复杂，比如在对废锂电池的处理上，首先要对其进行预处理，包括放电、拆解、粉碎、分选；拆解后的塑料及铁外壳回收；再对电极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂后进行萃取。

    尽管目前动力电池回收的经济性不高，随着应用规模扩大，资源逐渐枯竭，回收利用环节将显示出极大价值。或许未来推动行业竞争的主要场所不再是锂资源开采，而是回收。

    从目前欧美国家的情况来看，相关厂商正在大力推进动力电池回收利用研究，为大规模商业回收进行技术储备。例如，比利时优美科公司开发超高温技术，处理废旧锂电池。丰田汽车公司与优美科合作，拟对两款丰田汽车的锂离子电池进行回收。美国Toxco公司在液氮环境下低温冷冻电池使其材料的化学性质变得不活泼，然后拆解电池分离其中的材料。甚至还没有动力电池制造商的德国，也在着手研究回收网络体系建设。

    回收市场尚未成形

    其实，我国在这方面也有动作，但动静不大。《节能与新能源汽车产业发展规划》就明确提出，要制定动力电池回收利用管理办法，设定动力电池回收及再生企业准入条件。不过据了解，目前我国动力电池回收工作与新能源汽车发展不匹配，回收市场还未成形。

    从中国汽车技术研究中心了解到，由于新能源汽车正处于研发推广阶段，并没有大范围使用，因此我国车用动力电池也尚未出现大规模报废的情况，所以目前我国尚未建立专业车用动力电池回收利用体系。但从回收处理技术角度来说，汽车用动力电池与消费类电子产品中的镍氢、镍镉、锂电池的回收处理路线基本相同，主要提取镍、钴、稀土元素等有价值的金属，目前国内已基本具备相应的回收处理技术。

    黎宇科表示，目前我国已有一定数量的镍氢、锂电池及钴镍再生企业，回收服务网络逐渐扩大，已具有回收和再生处理车用动力电池的基础，今后应有效利用并完善现有回收网络，使其更适合车用动力电池这种资源相对集中的大型电池的回收利用。黎宇科同时建议，在建立我国车用动力电池回收体系时，应本着几个原则：首先，要落实生产者责任延伸制；其次，对从事车用动力电池回收的企业实施资质认定；再次是制定详细的有色金属再生技术规范，明确镍、钴等有色金属再生企业的准入资质，鼓励高水平的专业再生企业发展。

    还了解到，2008年奥运会期间北京投入的50辆纯电动大客车电池已近报废期，如何处理替换下来的电池就已然摆在面前，成为一个正待解决的问题。

责任编辑：黄梅