時(shí)間:2022-07-12 16:51:18來源:OFweek電子工程網(wǎng)
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)壽命最長的全固態(tài)電池。
最后做個(gè)拓展,所謂的固態(tài)電池,簡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)都會降低其容量。確定荷電狀態(tài)需要測量電池電壓和溫度,這些測量的準(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)地測量緊密結(jié)合在一起的一長串高壓電池串中的所有電芯,絕非易事。測量需要不受逆變器、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:單個(gè)電芯測量(電池監(jiān)控器)、整體電池包測量(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,而不會給電池帶來壓力。因此,這些電池監(jiān)控器的性能對于電池管理系統(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。測量誤差會導(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量路徑、改進(jìn)輸入信號之間的同步、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、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)控器會提醒電池管理系統(tǒng)喚醒,并在檢測到任何潛在問題時(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,電池管理系統(tǒng)也會收到警報(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),它們可以測量5V以下的任何電壓,測量精度與原電池相同。此外,這些輔助測量,如溫度或電流測量,可與電芯測量同步,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:D;
最大使用壽命總測量誤差: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,因而勢必會推動(dòng)這種轉(zhuǎn)變。地緣政治和環(huán)境問題只會加速這一趨勢。電動(dòng)汽車是未來的趨勢,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。
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