近日，有媒體報(bào)道稱，清華大學(xué)全固態(tài)鋰電池研究獲得新突破，達(dá)成了迄今為止循環(huán)壽命最長(zhǎng)的成就。

　　不僅如此，新技術(shù)還有望從根本上解決電池的安全性相關(guān)問題，進(jìn)一步提高鋰電池的能量密度和循環(huán)壽命。

　　據(jù)悉，這項(xiàng)新技術(shù)由清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，其采用靜電紡絲-滲透-熱壓法制備了一種由Li6PS5Cl和極性聚偏二氟乙烯-共聚三氟乙烯(P(VDF-TrFE))骨架組成的薄而柔韌的復(fù)合固體電解質(zhì)(CSEs)。

　　在室溫下，這種具有復(fù)合固體電解質(zhì)(CSEs)的全固態(tài)電池(ASSBs)，在1.61C下1000次循環(huán)后的容量保持率為92%，1.61C下20000次循環(huán)后具有71%容量保持率的超長(zhǎng)循環(huán)壽命，成為了迄今為止報(bào)道中室溫下循環(huán)壽命最長(zhǎng)的全固態(tài)電池。

　　最后做個(gè)拓展，所謂的固態(tài)電池，簡(jiǎn)單來說就是電池里面沒有氣體、液體，所有材料都以固態(tài)形式存在，用固態(tài)電解質(zhì)代替隔膜和電解液(傳統(tǒng)鋰電池，是由正極、隔膜、負(fù)極，再灌上電解液制造)。

　　其能量密度能夠輕松達(dá)到傳統(tǒng)鋰電池兩倍左右，而且電池設(shè)計(jì)自由度增加，相同容量下電池變得更加輕巧，這就意味著續(xù)航輕松破千公里的電動(dòng)車成為了可能。

　　此外，固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)，具有不可燃、不揮發(fā)、不腐蝕也不存在漏液的問題，在高溫

　　一輛典型的內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車有一個(gè)15加侖的油箱，相當(dāng)于近500千瓦時(shí)的電能。15加侖的汽油可轉(zhuǎn)化為內(nèi)燃機(jī)汽車375英里的續(xù)航里程;500千瓦時(shí)的電能可轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車1450英里的續(xù)航里程。這種巨大的能效優(yōu)勢(shì)是電動(dòng)汽車最終取勝的原因，但如今這一代電動(dòng)汽車面臨的最大問題，是其電池容量比不上內(nèi)燃機(jī)汽車的續(xù)航里程。

　　挑戰(zhàn)是什么?

　　電動(dòng)汽車的電池包由數(shù)百個(gè)串聯(lián)工作的電芯組成，產(chǎn)生400V到800V的電壓。過度充電和過度放電會(huì)損壞電池或使其過早老化，從而降低容量或壽命，最終導(dǎo)致電池故障。電池管理系統(tǒng)的主要功能是確定和控制構(gòu)成電池報(bào)的每個(gè)電芯的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。任何鋰離子電池充電至100%荷電狀態(tài)或放電至0%荷電狀態(tài)都會(huì)降低其容量。確定荷電狀態(tài)需要測(cè)量電池電壓和溫度，這些測(cè)量的準(zhǔn)確性直接決定了荷電狀態(tài)管理的好壞。總之，電池管理系統(tǒng)的電子器件是盡可能提高電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的運(yùn)行里程、壽命、可靠性和安全性的關(guān)鍵。

　　注：要想準(zhǔn)確、連續(xù)地測(cè)量緊密結(jié)合在一起的一長(zhǎng)串高壓電池串中的所有電芯，絕非易事。測(cè)量需要不受逆變器、執(zhí)行器、開關(guān)、繼電器等產(chǎn)生的高電氣噪聲的影響。由于電池包的高電壓，電子器件本身也需要進(jìn)行電氣隔離。最后，電子元件需要在磨損、氣候條件、車輛使用年限和行駛里程等因素的影響下運(yùn)行數(shù)年。

　　電池管理系統(tǒng)的核心

　　作為集成電路(IC)和解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，ADI公司的電池管理產(chǎn)品專注于幾個(gè)關(guān)鍵方面：?jiǎn)蝹€(gè)電芯測(cè)量(電池監(jiān)控器)、整體電池包測(cè)量(電池包監(jiān)控器)、互連設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)(通過導(dǎo)線或無線網(wǎng)絡(luò))，以及控制這些設(shè)備的軟件。這些電子裝置的目標(biāo)是讓所有電芯安全地充電到盡可能高的容量，確保整個(gè)電池包獲得最大的可儲(chǔ)存能量，充分提高車輛的續(xù)航能力。

　　可以說，最關(guān)鍵的設(shè)備是高電壓電池監(jiān)控器IC。電池監(jiān)控器IC可測(cè)量串聯(lián)的電芯的電壓和溫度，通常每個(gè)監(jiān)控器監(jiān)控12個(gè)電芯。電池電壓和溫度是關(guān)鍵參數(shù);測(cè)量精度和同步性是關(guān)鍵特性。

　　綜合這些參數(shù)，電池管理系統(tǒng)可以在最大的安全工作范圍內(nèi)操作電池，而不會(huì)給電池帶來壓力。因此，這些電池監(jiān)控器的性能對(duì)于電池管理系統(tǒng)充分優(yōu)化車輛續(xù)航里程、成本、重量和可靠性至關(guān)重要。測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致電池管理效率降低，而ADI公司的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品能夠提供精確的測(cè)量能力。

　　ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密電池監(jiān)控器是實(shí)現(xiàn)安全、性能和成本效益的較理想功能組合。該系列由三個(gè)基本器件組成，以每個(gè)器件監(jiān)控的電池?cái)?shù)量來區(qū)分：ADBMS6816監(jiān)控六個(gè)電芯，ADBMS6817監(jiān)控八個(gè)串聯(lián)的電芯，ADBMS6815監(jiān)控12個(gè)串聯(lián)的電芯。三種不同的電芯監(jiān)控器數(shù)量可以滿足不同的電池配置，適用于廣泛的電池包配置。

　　下固態(tài)電池也不會(huì)發(fā)生起火，有望徹底解決目前困擾行業(yè)的電池起火問題。

　　不過目前固態(tài)成本研制成本較高，想要大規(guī)模投入商業(yè)使用，短時(shí)間內(nèi)怕是不太能實(shí)現(xiàn)。

圖1．多電芯監(jiān)控器的簡(jiǎn)化說明

　　此外，這些部件可以通過混合和匹配的方式進(jìn)行組合，組成合適數(shù)量的電池監(jiān)控通道。由于工作環(huán)境包括極端的電氣噪聲，因此還包含可調(diào)節(jié)的低通濾波，以減少這些噪聲，確保實(shí)現(xiàn)高保真的測(cè)量。

　　ADI電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)

　　ADBMS6815系列電池監(jiān)控器采用菊花鏈?zhǔn)交ミB設(shè)計(jì)，使用isoSPI?雙線通信接口。這是一個(gè)穩(wěn)定可靠、對(duì)電磁干擾不敏感、具有電氣隔離的網(wǎng)絡(luò)，能夠從電池管理系統(tǒng)微控制器同步操作、輪詢和控制ADI公司的電池管理系統(tǒng)設(shè)備。因此通過ADI電池包監(jiān)控器件，可以同步測(cè)量電池包中的所有電芯以及電池包電流和電池包電壓。這種菊花鏈可以通過一條通往每個(gè)設(shè)備的路徑進(jìn)行操作，也可以通過環(huán)路配置中的雙路徑進(jìn)行操作。該環(huán)路支持在電線或連接器發(fā)生故障的情況下，訪問所有的電芯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

　　ADBMS6815系列還支持在無線電池管理系統(tǒng)(wBMS)中運(yùn)行，其中有線菊花鏈被電池監(jiān)控器的2.4GHz無線電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)所取代。

　　安全

　　在電池管理系統(tǒng)的所有目標(biāo)中，確保電池包的安全是最重要的。識(shí)別和補(bǔ)救集成電路內(nèi)的潛在故障需要內(nèi)置自檢能力和冗余。這些功能包括冗余測(cè)量路徑、改進(jìn)輸入信號(hào)之間的同步、自檢能力等等。

　　ADBMS6815系列零件的設(shè)計(jì)支持ISO 26262 ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)。

　　注：ISO26262是一個(gè)普遍采用的汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保汽車電氣設(shè)備和系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的安全。ASIL-D是本ISO標(biāo)準(zhǔn)中的一種風(fēng)險(xiǎn)分類，代表系統(tǒng)中最高的汽車安全級(jí)別。ADI部件的設(shè)計(jì)和認(rèn)證旨在支持ASIL-D，確保使用ADI部件的汽車制造商能夠?qū)崿F(xiàn)這一關(guān)鍵里程碑。

　　此外，通過滿足ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以滿足其它功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61508，從而也滿足非自動(dòng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

　　低功耗電芯監(jiān)控

　　除了確保為車輛提供穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)、可靠的能源外，電池管理系統(tǒng)還必須確保電芯本身始終是安全的。雖然這種情況比較罕見，但電芯的缺陷會(huì)導(dǎo)致電池隨著時(shí)間的推移而縮短壽命，并導(dǎo)致熱失控，造成災(zāi)難性的結(jié)果。為此，電池管理系統(tǒng)需要對(duì)可能預(yù)示任何潛在問題的情況進(jìn)行監(jiān)控。

　　電芯并不會(huì)因?yàn)椴皇褂枚幱诙栊誀顟B(tài)。作為電化學(xué)設(shè)備，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，它們也會(huì)隨著時(shí)間而變化。換句話說，即使在車輛不運(yùn)行的情況下，電池的失效狀態(tài)也在持續(xù)發(fā)展。為了持續(xù)監(jiān)控電池包內(nèi)的電芯(即使車輛處于熄火狀態(tài))，ADI公司開發(fā)了低功率電池監(jiān)控(LPCM)技術(shù)。LPCM是一種先進(jìn)的電芯監(jiān)控功能，可定期自動(dòng)檢查電芯的關(guān)鍵參數(shù)。通過LPCM功能，電池監(jiān)控器會(huì)提醒電池管理系統(tǒng)喚醒，并在檢測(cè)到任何潛在問題時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查。如果電池監(jiān)控器未能提供定期確認(rèn)信號(hào)，電池管理系統(tǒng)也會(huì)收到警報(bào)。

　　靈活性、功能和成本效益

　　ADBMS6815系列提供了較理想的功能組合，可滿足廣泛的要求，并對(duì)上述安全性、可靠性和性能提供一些補(bǔ)充作用。這些器件使用相同的封裝和引腳，允許設(shè)計(jì)人員以不同的通道數(shù)(每個(gè)器件監(jiān)控6、8、12個(gè)單體電池)構(gòu)建通用設(shè)計(jì)，通過不同的選項(xiàng)配置，滿足更多電池包或電池模組的配置需求。這些產(chǎn)品還包含通用的I/O，可以作為數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或模擬輸入操作。當(dāng)作為模擬輸入操作時(shí)，它們可以測(cè)量5V以下的任何電壓，測(cè)量精度與原電池相同。此外，這些輔助測(cè)量，如溫度或電流測(cè)量，可與電芯測(cè)量同步，從而獲得更準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)。

圖2．有線電池管理系統(tǒng)的概要

圖3．wBMS用無線電取代了通信線路

　　計(jì)算這些I/O引腳也可以控制I2C或SPI子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，比如增加多路復(fù)用器，來擴(kuò)大模擬輸入或EEPROM，從而存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息。最后，這些產(chǎn)品還包含電池均衡能力，在任何電池上都能放出高達(dá)300mA的電流。這實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)均衡，保持電池包中所有電芯的荷電狀態(tài)相等。均衡過程可以設(shè)置為一個(gè)特定的時(shí)間段，并在達(dá)到預(yù)先編程的閾值時(shí)自動(dòng)停止。這樣，即使在電芯監(jiān)控器處于睡眠模式時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的均衡。

　　一般特性

　　ADBMS6815(12通道);

　　ADBMS6817(8通道);

　　ADBMS6816(6通道);

　　支持汽車安全完整性等級(jí)：D;

　　最大使用壽命總測(cè)量誤差：1.5mV;

　　用于高壓電池包的可堆疊架構(gòu);

　　304μs內(nèi)可完成系統(tǒng)中所有電芯電壓測(cè)量;

　　具有可編程噪聲濾波器的16位ADC;

　　每通道300mA的無源電池均衡，帶有可編程的PWM控制;

　　2Mbps電隔離串行通信;

　　僅使用2根電線和電容器或變壓器;

　　可逆通信支持環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);即使通信路徑上有故障，也可以進(jìn)行通信;

　　7個(gè)通用接口引腳可用作模擬或數(shù)字輸入或數(shù)字輸出;支持溫度傳感器，可配置為I2C或SPI主機(jī);

　　SLEEP模式電源電流：5.5μA;

　　48引腳7mm×7mmLQFP封裝;

　　結(jié)論

　　未來30年內(nèi)，世界將從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)乘用車。汽油是一種來自有限資源的產(chǎn)品，其使用效率極低，因而勢(shì)必會(huì)推動(dòng)這種轉(zhuǎn)變。地緣政治和環(huán)境問題只會(huì)加速這一趨勢(shì)。電動(dòng)汽車是未來的趨勢(shì)，而電池管理系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。

　　領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，如ADBMS6815系列，正在推動(dòng)未來的發(fā)展。這些IC經(jīng)認(rèn)證符合ISO 26262 ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)，其電芯電壓和溫度測(cè)量精度在業(yè)內(nèi)屬領(lǐng)先水平。ADBMS6815系列采用經(jīng)過道路驗(yàn)證的多代電池監(jiān)控IC，旨在超越汽車和工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境、可靠性和安全性要求。它們能夠有效滿足電動(dòng)車隊(duì)和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷變化且具有挑戰(zhàn)性的要求。設(shè)計(jì)人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品，相信ADI市場(chǎng)領(lǐng)先技術(shù)可以提供當(dāng)今出色的電池管理系統(tǒng)，并在不斷擴(kuò)大創(chuàng)新基礎(chǔ)上，促進(jìn)未來前沿系統(tǒng)的發(fā)展。