这些年随着电动汽车的崛起,锂电池的用量快速提升,但由于锂电池大量生产的时候品质不容易掌握,电芯出厂时电量存在些微差异,且随着工作环境改变等因素,电池间的不一致性降会愈加明显,电池效率、寿命也都会变差。再加上过充,或者过放等情况时有发生,严重时,可能会导致起火燃烧等安全问题。
一般来说,一辆电动汽车中往往有100个,甚至更多的锂离子电池通过串联的方式连接后,来满足汽车电机的负载要求,驱动汽车行驶。如今的电动汽车平台在往800V,甚至更高电压发展,那么该如何保证电池组的安全可靠及性能呢?答案就是电池管理系统(BMS)解决方案。

图1:基础的新能源汽车高压电池模块架构(来源:TI)在BMS解决方案中,AFE(模拟前端)是及其重要的,因为它主要用来采集电芯电压与温度等信息,同时它还要支持电池的均衡功能,通常来说,芯片会集成被动均衡功能。其实在汽车BMS方案中,可供工程师选择的AFE产品并不多,主要的供应商有ADI、TI、NXP、瑞萨、ST、松下等,其中ADI的AFE产品主要来自其收购的凌力尔特与美信,瑞萨的AFE产品主要来自收购来的Intersil。目前市面上可以接触到的AFE内部结构基本都大同小异,其关键的参数有四个:一是支持管理的电池串数,也就是采用通道数量,这决定了可以支持多少伏特的BMS系统。因为电池串联后电压会升高,因此,BMS AFE芯片的设计及制造都需要采用中高压芯片的工艺。二是采集电压、电流,以及温度的精度,这决定了保护的精度,电池容量估算的精度。比如TI目前主推的BQ79718-Q1异常检测精度可以高达1mV的数量级,并具备300mA电流能力的被动式电池平衡功能。三是功耗,一般电动汽车在睡眠状态时,会进入节电模式,因此芯片的功耗也需要够低。四是异常状态保护输出时间,包括过充、过放、过流等保护延时。如今的车规BMS AFE芯片需求量比较大的是18通道的产品,其中TI的BQ79718-Q1与ADI的LTC6813最高可以支持18通道。据业界消息,目前18通道的AFE芯片成本已经做到2美元,售价不到3美元,预计明年售价会降到2美元以下。而此前18通道AFE芯片售价在8美元以上。据悉车规级的BMS AFE芯片市场中,ADI、TI、NXP和瑞萨四家几乎占了9成的市场份额。留给国产BMS AFE产品的市场空间并不大。不过从前年开始,笔者就不断听到有国产厂商进入BMS芯片赛道的消息。到现在已经有不少厂商推出了相关产品,比如MPS、矽力杰、杰华特、拓尔微、南京集澈、中颖电子、创芯微、琪埔维、凹凸科技、华泰半导体、比亚迪、航天明芯等等,加上一些产品还没出来,以及一些摩拳擦掌准备进入的企业,据说已经达到了50多家。但如今,就连车规级的AFE芯片都这么卷了,这些大部分只能用于储能、移动电源、电动工具,以及一些消费类电子产品的AFE芯片市场前景就有点堪忧了。除非他们的成本做到比这些海外厂商更低。可半导体行业是一个竞争比较充分的行业,如今国产芯片设计人才的价格并不比国外厂商低;代工资源大家基本在同一起跑线上;EDA工具的价格,以及渠道成本其实国内厂商与国际厂商并没有太大的差别,那么如果降低产品的成本就很考验国产芯片厂商的能力了。
那是不是没有什么机会了呢?那也不一定,毕竟AFE最直接接触的就是电芯,如今的锂电池也还在不断发展当中,如果能够结合锂电池的电化学阻抗谱(EIS),将AFE芯片与电池阻抗相匹配,就是未来机会所在。当然,芯片成本需要被市场所接受才行。
电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)是一种相对来说比较新的电化学测量技术,它的发展历史不长,但是发展很迅速,目前已经越来越多地应用于电池、燃料电池以及腐蚀与防护等电化学领域。
其方法是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波,测量交流电势与电流信号的比值(系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化,或者是阻抗的相位角f随ω的变化。
利用EIS可以分析电极过程动力学、双电层和扩散等,可以研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护机理等。
将EIS与AFE芯片相结合,将会是AFE芯片的新卖点。