EIS：電動汽車電池管理系統(tǒng)的下一階段？

電池管理系統(tǒng) （BMS） 是電動汽車 （EV） 的大腦。BMS 旨在監(jiān)控電池組中的鋰離子 （Li-ion） 電池并調(diào)節(jié)高度可燃組件的電壓、電流和溫度。通過更好地了解電池的內(nèi)部狀態(tài)并適應(yīng)不同的駕駛條件，它可以確保 EV 電池的最佳性能以及其使用壽命、可靠性和安全性。

每個商用 BMS 都會收集大量數(shù)據(jù)。通常，它測量每個電池單元的電壓以及電池組的電壓和電流。有限數(shù)量的溫度傳感器（戰(zhàn)略性放置）繪制電池組的溫度分布圖。

馬瑞利（Marelli）產(chǎn)品管理總監(jiān)戴維德·卡瓦利埃（Davide Cavaliere）說，BMS的核心算法通過這些信號運行，以提供相對粗略的電池狀況視圖，馬瑞利（Marelli）正在將最廣泛使用的電池實驗室測試工具之一引入其最新的BMS。

Marelli 設(shè)計的 BMS 將于 2025 年推出，它將基于電化學(xué)阻抗譜 （EIS），該光譜被廣泛用作電池實驗室的診斷工具。Cavaliere 表示，通過跟蹤阻抗的變化，下一代 BMS 可以更深入地了解電池組的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH）。然后，它可以利用這些見解來增加 EV 的續(xù)航里程并延長電池的使用壽命。

這家一級供應(yīng)商表示，BMS 使用 EIS 來評估電池老化或在惡劣條件下運行時的退化率。阻抗是電池內(nèi)部狀態(tài)的主要指標(biāo)之一。電阻往往會隨著電池放電而增加，而電池隨著時間的推移而退化也會導(dǎo)致電阻上升。這些對電池老化的揭示對于計算電池的剩余使用壽命至關(guān)重要，而剩余使用壽命決定了其剩余經(jīng)濟價值。

環(huán)境影響影響報告通常在電池研發(fā)過程中進行，或者作為電動汽車電池單元制造過程的一部分進行。但十多年來，工程師們一直在努力將 EIS 直接集成到單元級 BMS 中。問題是什么？復(fù)雜的硬件、軟件和系統(tǒng)設(shè)計成本使其無法用于電動汽車。馬瑞利表示，其基于 EIS 的 BMS 最終具有成本效益和可擴展性，足以進行大規(guī)模生產(chǎn)。

BMS：電動汽車電池組的差異化制造者

BMS 在電動汽車中發(fā)揮著更關(guān)鍵的作用，特別是由于引擎蓋下高壓電池組越來越復(fù)雜，這可能占電動汽車平均凈成本的 30% 至 40%?，F(xiàn)代 EV 電池組由成百上千個電化學(xué)電池組成，這些電池可以提供高功率密度，并且在必須更換之前可以使用數(shù)年。權(quán)衡是它們非常敏感。

馬瑞利由于 EV 電池組的設(shè)計、電池格式和化學(xué)成分多種多樣，因此每個 BMS 都與電池組的特定架構(gòu)進行了密切校準(zhǔn)。

每種電池在電池單元級別基于不同的化學(xué)成分，在電池組級別基于不同的結(jié)構(gòu)。最重要的是，電池單元的性能可能會因生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)或輕微偏差而受到影響。

這些 EV 電池還會對引擎蓋下的真實條件做出反應(yīng)——使用過程中的電氣變化會導(dǎo)致充電過早終止、物理退化和災(zāi)難性故障。此外，它們?nèi)菀资艿秸駝雍蛪毫σ约盁?、冷和任何其他惡劣環(huán)境條件的影響。

BMS 的主要職責(zé)之一也是其最具挑戰(zhàn)性的：狀態(tài)估計。BMS 使用電壓、電流和內(nèi)阻等參數(shù)來間接估計 SOC（反映電池剩余電量）和 SOH（通過比較電池的當(dāng)前容量和原始容量來量化電池的內(nèi)部狀況）。BMS 還負(fù)責(zé)電池單元的均勻充電和放電。電池平衡有助于最大限度地提高 EV 的電池性能和使用壽命。

此外，BMS 負(fù)責(zé)安全監(jiān)控。該裝置持續(xù)監(jiān)測電池和電池組級別的溫度、電壓和電流，以防止因過度充電或充電不足而造成的損壞。它還可以防止短路或其他故障（包括熱失控）造成的危險。

BMS 還可以校正電池內(nèi)部的溫度波動，確保其保持在最佳溫度。暴露在極熱和極冷的環(huán)境中會導(dǎo)致電池的性能和使用壽命出現(xiàn)很大差異。

BMS 的另一個作用歸結(jié)為數(shù)據(jù)通信。它將有關(guān)電池的信息發(fā)送到駕駛員和其他系統(tǒng)，包括牽引逆變器、車載充電器 （OBC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

BMS 的核心是微控制器 （MCU），它使用它在電池和電池組級別學(xué)到的所有內(nèi)容來計算電池組的內(nèi)部狀態(tài)。通過密切關(guān)注情況，它可以調(diào)整充電和放電以充分利用電池。電池管理 IC 的任務(wù)是電池級電壓監(jiān)控，而電流傳感器、隔離監(jiān)視器、高壓接觸器和熱熔器則用于在遇到危險時將電池組與電動汽車的其余部分物理斷開。

雖然許多公司都在引入 AI，但 MCU 內(nèi)部運行的算法主要基于“電池模型”，這些模型源于研發(fā)中的嚴(yán)格測試。這些依賴于高精度的電池電壓測量來估計電池的內(nèi)部狀態(tài)。磷酸鐵鋰 （LFP） 電池的精度更大，由于電壓曲線平坦，這可能會給狀態(tài)估計帶來挑戰(zhàn)。即使是細胞級監(jiān)測中的微小偏差也可能導(dǎo)致較大的預(yù)測誤差。

電動汽車電池測試：現(xiàn)代 BMS 的隱藏秘密

正如電動汽車技術(shù)的領(lǐng)先顧問 Veronika Wright 所指出的那樣，電池管理不存在“一刀切”的解決方案。每個電池組都是電氣、化學(xué)和機械特性的非常復(fù)雜的相互作用。

確保電池組在不同駕駛條件和不可預(yù)測的使用模式下保持多年的最佳性能和安全性并非易事，構(gòu)建能夠適應(yīng)這些和道路上所有其他變量的 BMS 也并非易事。BMS 還必須根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)進行校準(zhǔn)。

馬瑞利圖中顯示了電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 如何分析電池單元。

為了了解單個電池單元和電池組設(shè)計的獨特輪廓，電池在各種條件下經(jīng)過多年的嚴(yán)格測試。這往往涉及電池的重復(fù)充電和放電——也稱為循環(huán)。通過分析電流和電壓的波動，研究人員可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測電池在無法再容納足夠電量供電動汽車使用之前將承受多長時間的模式。

Wright 說，這些海量數(shù)據(jù)是電池模型的基礎(chǔ)，電池模型是傳統(tǒng) BMS 算法的支柱。這些模型還得到了龐大數(shù)據(jù)庫的支持，這些數(shù)據(jù)庫將電池的不同參數(shù)相關(guān)聯(lián)。例如，開路電壓 （OCV） 在很寬的溫度范圍內(nèi)（通常為 ?20 至 60°C）連接到電池的 SOC。 其他特性，例如對降解率和自放電率的預(yù)測也可以被納入其中。

EIS 是使用最廣泛的診斷工具之一。它測量電池單元的阻抗（交流電阻）。通過向電池施加少量交流電并測量寬頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)，EIS 映射阻抗譜。這揭示了電池組內(nèi)部電化學(xué)過程的微小細節(jié)，這些細節(jié)是其他類型的評估所看不到的，特別是對電池壽命和性能的任何負(fù)面影響。

EIS 的重要指標(biāo)是頻率范圍，這對于捕獲電池內(nèi)部的所有電化學(xué)過程至關(guān)重要。這些反應(yīng)以不同的速度發(fā)生，通常以較低的頻率觀察到離子擴散等緩慢反應(yīng)，其中鋰離子在電池內(nèi)部的陽極和陰極之間移動。這些斑點從電池結(jié)構(gòu)的一側(cè)物理移動到另一側(cè)是產(chǎn)生電流的原因，而電池中的阻抗阻礙了這種移動。

相比之下，電荷轉(zhuǎn)移等快速反應(yīng)（發(fā)生在電極和分隔電池兩側(cè)的電解液之間的絕緣界面的基本過程）需要高頻測量。大多數(shù)商用測試設(shè)備可以覆蓋 1 Hz 以下到 1 MHz 的頻率。高頻測量用于突出電池內(nèi)部金屬導(dǎo)體和電極表面發(fā)生的情況，而較低頻率則捕獲其他現(xiàn)象。

馬瑞利Marelli 如何將 EIS 直接集成到 BMS 中以進行細胞級監(jiān)測。

任何給定頻率下的阻抗值都是電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的唯一特征，而不會將其切開或損壞。EIS 還有助于預(yù)測電池的退化率，并查明影響質(zhì)量和安全的缺陷和其他缺陷。例如，導(dǎo)致鋰金屬電鍍的基礎(chǔ)過程是非常不可取的。但 EIS 可以預(yù)測其風(fēng)險。

EIS 和其他電氣測試由更嚴(yán)格的物理測試補充，在這些測試中，公司對電池進行敲打、加熱并在電池上打孔，以查看如何使它們發(fā)生故障。

將 Battery Lab 的優(yōu)勢引入 EV

使用 EIS 測量 EV 內(nèi)部的阻抗并非易事。但 Marelli 和其他公司正試圖通過構(gòu)建基于 EIS 特性的電池模型并將 EIS 直接引入電池級 BMS 來克服這些困難。Cavaliere 說，主要障礙是成本。雖然建立電池實驗室的公司可以投資購買高質(zhì)量的 EIS 測試設(shè)備，但問題是為 EV 帶來相同的性能，并將其保持在商業(yè)上可行的 BMS 的限制范圍內(nèi)。

Marelli 稱其當(dāng)前一代電池管理系統(tǒng)“支持 EIS”，該公司表示，它在測量低頻范圍內(nèi)阻抗的能力方面取得了幾項重大改進。

為了進行 EIS，Marelli 設(shè)計的 BMS 解決方案使用電動汽車中已有的控制器（例如 OBC 或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器）將交流電壓施加到電池組，從而實現(xiàn)電池組級激勵。正如 Cavaliere 解釋的那樣，BMS 首先測量電池電壓、電池組電壓和電池組電流的時域信號。然后，它在頻域中運行快速傅里葉變換 （FFT） 分析，以計算出電池單元和整個電池組在不同頻率下的阻抗。

在底層硬件方面，BMS 依賴于高精度電池監(jiān)控 IC，這些 IC 可以高精度和高頻地對電池單元的電壓和電流進行采樣，同時同步電流-電壓采集。MCU 具有高時鐘頻率和快速采樣率來運行 FFT，這是在電池監(jiān)控 IC 發(fā)送有關(guān)電池電壓、電池組電壓和電池組電流的原始數(shù)據(jù)后發(fā)生的。

“完整 EIS”解決方案在 2025 年晚些時候推出時將能夠處理更高頻率的測量，從而更全面地描述電池的內(nèi)部狀況。Cavaliere 說，這將改進對電池 SOC 和 SOH 及其內(nèi)部溫度的實時預(yù)測。

在 EIS 就緒解決方案中，由于 MCU 和電池監(jiān)控 IC 之間的菊花鏈通信協(xié)議受到限制，MCU 每 1 到 10 毫秒對電池單元和較大電池組的電壓和電流進行采樣。這將 EIS 的最大頻率限制為大約 10 Hz，這明顯低于 EV 電池實驗室的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。

馬瑞利當(dāng)前 BMS 與未來“完整 EIS”解決方案的主要區(qū)別在于 MCU 運行 FFT，限制了測量的頻率范圍。

Marelli 表示，計劃升級電池監(jiān)控 IC 以直接運行 FFT，將頻率范圍增加到 1 kHz 以上，這將允許更準(zhǔn)確地測量 SOC 和 SOH 以及溫度?！巴ㄟ^直接在 BMIC 上執(zhí)行 FFT，菊花鏈通信通道不再是瓶頸，因此可以測量更高的頻率，”Cavaliere 說。

Cavaliere 說，基于 EIS 的 BMS 還可以密切關(guān)注電池組內(nèi)部的熱情況。他說，隨著電池組內(nèi)部溫度的升高，由于電解液中的電阻較低，阻抗會下降，這會影響電池單元中電荷轉(zhuǎn)移和其他電化學(xué)反應(yīng)的速率。多虧了這一點，基于 EIS 的 BMS 可以潛在地檢測到過熱甚至熱失控的開始。

“測量高頻阻抗對于評估電池的電阻分量很重要，”Cavaliere 說?！斑@種電阻在很大程度上取決于電池的內(nèi)部溫度。因此，[通過] 測量電阻，可以估計電池在運行期間的內(nèi)部溫度。這些信息在快速充電期間尤為重要，可以限制過熱造成的損壞。

將 EIS 引入 EV 的挑戰(zhàn)之一是為測量創(chuàng)造“刺激”。雖然它在測量頻率響應(yīng)之前使用 EV 中存在的其他控制器將交流電饋入電池，但 BMS 必須非常嚴(yán)格地控制進入其中的交流電量。

Cavaliere 解釋說：“重要的是，電流激勵是可重復(fù)的，幅度不能太高，以避免非線性問題，但幅度不能太小，以便產(chǎn)生足夠的信號，可以通過噪聲來區(qū)分。

在相關(guān)說明中，他表示，當(dāng)電動汽車沒有快速充電或放電時（例如，當(dāng)電動汽車停放或緩慢充電時），測量電池單元和較大電池組的阻抗更有意義。

BMS：更持久的 EV 電池的秘訣？

如今，世界上最大的電池制造商和汽車公司正在努力開發(fā)新材料、新化學(xué)物質(zhì)或其他調(diào)整，以制造具有更大存儲容量、更快充電速度或比目前使用的電池更安全的電池。但這些技術(shù)飛躍往往具有廣泛的研發(fā)階段，或者需要嚴(yán)格的測試。在性能或成本方面也往往需要權(quán)衡取舍。

馬瑞利EIS 是 Marelli 電池管理路線圖上的眾多創(chuàng)新之一。

但 IDTechEx 的電動汽車電池技術(shù)分析師 Alex Holland 表示，BMS 內(nèi)部的創(chuàng)新提供了一條同時提高多個性能指標(biāo)的途徑，這對于鋰離子電池化學(xué)來說是一項艱巨的任務(wù)。

例如，Holland 說，通過跟蹤電池中每個電池的內(nèi)部狀態(tài)，可以縮短電動汽車充電時間。如果 EV 在充電過程中檢測到鋰鍍層的開始，BMS 可以降低充電電流以降低風(fēng)險，一旦風(fēng)險降低，再增加電流。他說，通過提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計，BMS 可以提高充電速率而不會增加退化。

EIS 只是進入 BMS 的幾種新技術(shù)之一。例如，Marelli 表示，它計劃在幾年內(nèi)推出無線電池監(jiān)測、主動平衡和非接觸式電流傳感器。Cavaliere 補充說，它還計劃將 AI 算法本地集成到 BMS 以及云中，以更準(zhǔn)確地捕獲 SOC 和 SOH，并在更長的時間內(nèi)跟蹤這些指標(biāo)。

Marelli Propulsion Solutions 首席技術(shù)官 Giovanni Mastrangelo 表示，EIS 和 AI 的集成將通過“提高 [EV] 電池管理的安全性、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)”，為汽車公司帶來技術(shù)優(yōu)勢。