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EIS技术商用化成功落地,新能源行业有望迎来变革

时间:2022-02-07 14:19:29 作者:邵乐峰 阅读:
“通过片上EIS和系统高集成度,我们实现了更出色的电池性能、更高的安全级别、更少的系统BOM成本、更简化的BMS系统。事实上,相比目前在行业中使用的任何其他系统,我们的系统都能更早地对电池单元的失效进行预警,这点非常关键。”大唐恩智浦半导体有限公司CTO埃尔文•赫蒙对《电子工程专辑》说。
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专注于新能源汽车和工业储能两大新兴市场的大唐恩智浦,日前专为工业储能系统应用推出了新款电池管理系统(BMS)芯片DNB1101A,可为每个单独的电芯或并联的一组电芯提供多种传感功能,包括电压监测、温度监测和电化学阻抗谱(EIS)监测。

众所周知,相比电动汽车,工业储能技术对电池管理芯片在高性能、稳定性、安全上的要求同样严格。因此,能够在较宽的频率范围内在线测量电池电化学阻抗谱,就成为DNB1101A当仁不让的核心亮点之一。

大唐恩智浦半导体有限公司CTO埃尔文•赫蒙在接受《电子工程专辑》采访时表示,DNB1101A中集成的EIS功能有以非常高的精度测量不同频率下电池电化学阻抗的能力,可以通过进一步计算获得过热风险、析锂程度、老化程度等电池内部状态的深度安全信息,也可以为进一步的电池性能优化建立基础,例如获取更高功率、更快充电效率、提升里程等。

目前为止,EIS测量只能在实验室中使用较为庞大的设备进行。但DNB1101A将EIS功能直接集成在芯片上,而该芯片可以集成在电池电极上,甚至集成在电池内部,实现系统在线EIS监测。

“通过片上EIS和系统高集成度,我们实现了更出色的电池性能、更高的安全级别、更少的系统BOM成本、更简化的BMS系统。事实上,相比目前在行业中使用的任何其他系统,我们的系统都能更早地对电池单元的失效进行预警,这点非常关键。”埃尔文•赫蒙说。

此外,DNB1101A还在片上集成了温度传感器用于电芯温度测量,这样就不再需要外部热敏电阻及其外围电路,有利于优化系统BOM,且每个逻辑电芯都有温度监控覆盖,有利于达到更好的电池包内温度一致性。可靠性方面,大唐恩智浦方面承诺严格遵守可靠性鉴定标准,确保DNB1101A在其15年的使用寿命内完全符合规格要求。

作为一款单电池BMS产品,顾名思义,DNB1101A只监视和管理1个电池单元。“这是一个有意识的选择,以确保我们的BMS产品能够靠近每个单元。”埃尔文•赫蒙解释称,“这种接近性对于能够更精确地测量阻抗(EIS功能)以及消除整个电池的复杂性(减少BMS电子板、连接器、线缆……)非常重要,“这样一来,我们的芯片只需要很少的外部元件,就可以把所有电子元件直接放在电池的顶部,从而提高电池包能量密度,降低系统成本。”

在BMS系统中,多个DNB1101A通过差分总线连接在一起,所有电芯采集数据都可以提供给中央计算系统。同时,DNB1101A集成了丰富的诊断功能,支持电池过压、欠压、过温、低温报警,以及与芯片相关的异常报警,并提供内部均衡和外部均衡两种均衡方式。均衡命令由中央计算机通过差分总线进行编程,而DNB1101A将根据这些命令执行均衡操作。 

DNB1101A系统应用框图

在性能方面,DNB1101A为EIS测量提供了非凡的测量信噪比,因此可用于极低欧姆大容量电池;对于电压和温度测量,DNB1101A被设计为能够准确测量所有主流电池(包括NCM和LFP电池);差分菊花链通信方式可以单链支持最多250串电芯,并且所有传感数据可以在几毫秒内快速传输回主控制器。

以创新发力两大新兴市场

在谈及为何将新能源汽车和工业储能作为大唐恩智浦着重发力的两大市场时,埃尔文•赫蒙表示,随着气候变化和21国集团(COP21)制定的激进目标,汽车行业需要朝着可持续交通的方向加速发展。为了减少污染和气候变化,电动汽车在世界各地,特别是在中国,都在加速发展。其中,电池效率(可行驶的范围)以及成本(电池仍然是汽车中最昂贵的部件)成为了决定性的因素。

与此同时,工业领域的需求也在快速增长,尤其是为可再生能源储存、并网/离网、服务器和电信基站提供能源支持的应用。例如,随着5G的出现,新要求需要即使在电力供应中断的情况下,也要确保相关基础设施能够继续运行。

实际上,从技术角度来说,新能源汽车和工业储能在电子监控和电池管理方面是非常相似的:两者都涉及电压和温度监测,以确保电池的安全运行;都与均衡相关,以确保每个电池的电量一致;也都关注EIS测量,希望能够实现更快的充电、更准确的健康状态描述和更高的安全性。

“上述这一切的实现,都需要创新的电池系统和BMS设备。”埃尔文•赫蒙指出,“未来,AFE IC领域的技术趋势之一将是根据不断提高的安全要求,基于创新的传感技术建立深度的电池状态信息。因此,另一个趋势将是系统硬件和软件架构的演变,以实现价值链集成。” 

近年来,知名半导体大厂的本土转移趋势很明显。而且,即便在国内,同行之间的竞争同样激烈。因此,大唐恩智浦要想在激烈的竞争中站稳脚跟,今后在技术和产品路线图方面,会采取哪些有效的应对策略,就颇引人关注。

对此,埃尔文•赫蒙回应称,大唐恩智浦的使命是为电动汽车和能源存储行业提供创新且具有独特价值的电池管理芯片产品和解决方案。事实上,大唐恩智浦在EIS传感技术方面是处于市场领先地位的——不仅完成了EIS IP的片上集成,使电池系统开发者能够了解电池的深度状态,优化电池的使用,提高电池的功率极限,早期预测安全风险,还开发了其他核心IP,并且所有IP一起能够在非常复杂的电池系统环境中实现协同工作。再配合已量产多年的先进BCD晶圆技术,成熟的开发流程,最高安全级别的ISO26262认证,大唐恩智浦有信心成为客户的首选合作伙伴。

但事情的发展从来都不会一帆风顺,即便拥有大唐和恩智浦两大核心股东的大唐恩智浦也不例外,人才和芯片短缺曾给公司的发展一度造成了不小的压力。

埃尔文•赫蒙对记者说,设计混合信号集成电路需要最好和最有经验的工程师,所有公司都在努力吸引这些稀有人才。公司此前的确经历了一些不必要的损耗,失去了一些开发新产品的设计师。但幸运的是,在努力吸纳人才的同时,大唐恩智浦在全球拥有多个研发中心,当有一处面临困难时,公司会设法利用其他资源继续研发工作。

“没错,我们也同样看到了IC短缺的压力。芯片制造能力,包括前端和后端,是非常关键的。”但他表示,得益于专业的运营团队,大唐恩智浦已经与多家制造商签订了制造服务协议,可以做到相互支持。同时,考虑到产能不足的现状仍将会持续相当长的一段时间,公司也正在积极建立额外的产能保证机制,以缓解来自供应链的风险。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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