大唐恩智浦：电池管理芯片创新，引领新能源行业变革

大唐恩智浦半导体高级现场应用工程师，刘欢欢日前，在2021国际汽车电子创新发展论坛上，结合公司开发的独特的，基于专利电路，能够在很宽的频率范围内在线测量电池电化学阻抗谱（EIS）的技术，做了题为《电池管理芯片创新，引领新能源行业变革》的演讲报告，以下是发言内容，略有修改。

分享包括三部分，第一部分是电池管理芯片的产业链和价值链，第二部分是电池管理芯片在电动汽车电池安全方面的角色和表现，第三部分是未来大唐恩智浦需要什么样的电池管理芯片，以解决电池安全痛点，带来行业变革。

整个电池管理芯片，还有相关的一些产业链概况。最上面的是整车厂，现在可以看到在电动车领域也是百发齐放的时候，往上游就是Tier1，包括了电芯厂、Pack厂，然后是电池管理系统以及电池连接系统的供应商。

接着再往上游，是电池管理芯片供应商，包括一些主控芯片，以及AFE模拟前端芯片。大唐恩智浦今天关注的重点就是从控AFE模拟前端。

大唐恩智浦认为以2010年为分界线，大致可以分为两部分。在2010年以前，更多的是电池充放电保护芯片，因为它基本上只提供过压、欠压、过流、短路或者过温等保护诊断。在2010年以后，叫电池管理芯片，进化的里程其实是出现了具有采样、通信、均衡和诊断功能的电池管理芯片。这一类的芯片可以让系统在整个电芯生命周期内的实现监控，而不是仅仅针对问题故障的结果进行处理。

电池管理芯片的发展受到电动汽车需求的影响，比如芯片需要有更多的监控通道，更高的测量精度，更快的测量和通信速度。另外在成本方面也需要有更低的价格，更少的外围器件，以及一些附加功能，比如说主动唤醒、无线通信、电量计等。

整个电池管理产业链中，芯片起到了至关重要的作用。大唐恩智浦可以看到芯片价格的下降可以使Pack厂降价，从而实现系统的降本，最终车主可以买到实惠的汽车。

而芯片性能提升，可以让Pack厂有更精确的SoC计算，更精确的电池性能，更长的电池寿命，最终可以缓解里程焦虑，更长的质保。

芯片和外围的附加功能，比如说以无线通信为例，可以增加系统的灵活度，减少组装和电池回收难度，让大家可以同一个车型适配更多的选择。

所以在成本、性能和质保三方面，都可以体现出芯片的价值。但是大唐恩智浦也看到现在大家的一些需求中，尤其是在电池安全方面，是目前需求缺失的部分，也是大唐恩智浦希望分享的。

我们可以看到在2016年到2020年期间，电池的起火事故还是会又不少，尤其在2019年到2020年期间，我们可以看到在车辆静置过程中，起火事故占比增加到40%。现在乘员安全仍在受到比较大的威胁，安全事故还得不到有效的预测。电池安全问题并没有得到彻底的解决。

电池的安全其实是需要整个产业链的通力合作，电池厂这部分可以通过材料、设计和制造来提升电池的安全。但是在现在的蓬勃发展的情况下，电池的产量越来越大，很难在这种情况下做到零缺陷。

Pack厂更多的是基于现有方案的被动选择，所以往往是在散热或泄爆隔离这期间做事件发生后的被动防护，没有办法提前预警，所以就留给系统厂商和电池管理厂商一个疑问，怎样才能做到热失控预警和电池失效预测。

单靠现在的电压、温度、压力或者烟雾传感器是不是能做到安全防护？

我们以起火爆炸威胁成员安全这个时间点为基准，来看一下。首先是热失控预警，乘员可以得到逃脱机会，这里有一个法规的需求，就是GB38031的要求必须在其就是热失控发生前5分钟给驾驶员预警，所以这是一条红线，需要所有的车厂都必须满足。

接着我们想是不是能够做得更多一点，可以在事件发生前的若干次充电循环，就可以预测到风险，比如说是以天级别的，或者是周级别，甚至是月级别的，能够去提前预知风险。

所以我们来看一下现阶段这三个参数到底能不能做到这一点。

首先是电压部分，在热失控过程中，电芯的电压其实在升温后相当长的一段时间内是保持稳定的，只有在濒临电芯爆炸的前夕，可能会有一个明显的下降，所以这一部分我们后面会有一些数据显示，其实它没有办法做到预测。

温度的部分，其实升温就绕不开热传导，以及系统的散热影响，所以极有可能我们在电池表面布置的这些温感是检测不到热故障的，所以我们现在才看到很多汽车的起火事故，在各种各样的情况下都有。

接着是压力和烟雾传感器，压力和传感器的工作原理其实就是当升温到一定的阶段，泄压阀会自动打开，这些传感器才能够起作用，所以这个基本上都是出现了最终的结果。当你热失控了之后，传感器才能给出读数。

所以我们普遍监控的这三个参数是很难做到热失控预警的，它基本上只能做到一个热失控的判断，然后并给出信号。

所以我们看到现在大部分的预警工作只是最终怎么不让它起火，怎么不让火蔓延，而没有办法去提前预警起火状态和信息。

这个是大唐恩智浦的一个测试，我们可以看一下，首先我们的测试是符合GB38031的一个加热触发热失控方法的，左边是俯视图，右边是一个侧视图，俯视图这边最下面是加热块，加热块是在电芯的底部来模拟局部加热的情况。

侧视图我们可以看到在加热块的正下方有温度传感器，用来测试加热块的温度，在电芯的背面有两个测温点，正对加热块的近点温感以及电芯肚子上的远点温感。

这个是电芯的电压和加热块部分温度随时间的变化曲线，横轴是时间，以秒为单位，纵轴的左边是电芯的电压，然后右轴是加热块处的温度。

我们可以看到加热实验，大概在70秒左右，开始加热，一直到1600秒左右，电芯出现爆炸，所以整个过程是加热电芯来触发热失控。其实在前面相当长的一段时间内，可能在1400秒以前，电线的电压都是保持一个比较稳定的状态，只有在快要爆炸的时候，电芯会出现的一一段下降，大概在1400秒到1600秒的时候，下降的幅度其实很小的，可能都不到0.1伏。

接着在1600秒之后，电芯可能是骤然的降到了0V，所以一直最后的1600秒，电芯已经出现爆炸了，电压才可能到0V。所以说明在热失控的过程中，很难监测到电压明显的一个变化，很难作为热失控预警的参数来使用。

这一部分是我们把三个地方的温度传感器的数据，做了一个展示。红色部分其实是加热块的温度，然后紫色部分是近点温感，绿色部分是远点温感。我们可以看到在不同的时期内，不同地方的温度有100度以上的差距。

所以说明热传导的过程及系统散热的影响，温度测量也是不可靠的。可能在发生热失控的过程中，根本就监测不到温度过热的现象。况且，目前大部分方案，并没有在每一颗电芯内都配备温度传感器，所以热传导的时间可能会更久。

我们再把这幅图前面部分放大，可以看到近点温感比热点的话，同样达到60度，大概会滞后4分钟。远点的温感，比近点的温感同样达到60度，可能会滞后8分钟。所以在这个过程中温度传感器这种由于物理导热以及系统散热的影响，可能会存在分钟级的延时。GB38031要求5分钟，其实按照现在温控方法去做预警，其实是很难达到的，这也是我们为什么无法避免火灾的发生和蔓延。

接着是压力和烟雾传感器，压力和烟雾传感器前面也提到过，首先是电芯出现过热，然后只有温度上升，电芯内部开始出现负反应，然后压力上升，再接着进行一定时间的积累，达到了压力的临界值，才会出现泄压阀打开压力和烟雾传感器报警。

所以这个过程也不能用于预警，基本上只能作为一个最终的结果的确认。

所以我们需要引入一个新的电参数，电芯参数其实有几点要求，第一点是可以绕开热传导的时效性限制。第二点是一个与电芯内部温度强相关的参数，就是电芯发生热失控时能及时的给出反应，所以大唐恩智浦认为电芯的交流阻抗是比较符合理想的参数。

下面我们就分别做一下介绍，可能有些人不是很清楚什么是电芯的交流组抗（EIS）。电芯的交流阻抗又叫电化学阻抗，右边的是这幅图是一个典型的18650的EIS谱，这个图的横轴部分是阻抗的实部，纵轴部分是阻抗的虚部，中间的这条曲线其实就是EIS谱对应着不同频率下的一个阻抗的值。

在纵轴的最下面部分就是阻抗的高频区域，再接着往上是中频区域，低频区域

可以看一下交流阻抗是不是符合前面提到的三要素。

第一，EIS测试是无损的，其实就是给电芯的正负极加一个微扰，不影响电芯的寿命，以及电芯的工作状态。第二是实时一一次EIS全频段扫频，从mHz到kHz，所需时间一般是不超过30分钟，所以它完全可以实现实时。第三是在线，需要把EIS功能集成到车载电池管理系统中。

所以这里是我们给出的一个答案——大唐恩智浦已经将这一功能集成到了电池管理芯片中，可以实现在车载和储能上的应用。可能以前大家测试EIS是使用Autolab，Solartron等大型设备，这些设备一是比较昂贵，另外体积也大，主要应用领域是电芯的研发应用。所以它没有办法用到现在的系统中。我们将这一部分的EIS功能集成到了电池管理芯片当中，大家可以直接在系统上使用。

接着我们简单介绍一下大唐恩智浦这颗芯片DNB1101A，它包含了电压监测，温度监测，交流阻抗监测，通信和均衡功能。这里着重介绍一下交流阻抗功能，交流阻抗功能会输出阻抗的实部和虚部，也有比较宽范围的频率可以选择，基本上可以满足整个EIS谱的测试。然后阻抗的数据更新率大概是1Hz，阻抗测试是可以满足mHz赫兹到mΩ级别的电芯测试。

关注公司的信息的可能也知道大唐恩智浦在今年前不久，已经实现了工规级的芯片量产，然后这颗芯片也在工规的场景中有一些应用了。

接着介绍一下我们的公司，大唐恩智浦半导体。大唐恩智浦是以车规级设计和制造为基准的半导体公司，满足车规级的认证需求。

另外公司的核心业务是电池管理芯片，大唐恩智浦基于这款芯片也完成了一些核心专利的布局，目前已授权的核心专利超过80项，大部分是基于大唐恩智浦的EIS核心功能去布局的专利。

EIS也是公司为解决汽车行业安全的一个痛点，做出的一个解决方案。

在2021~2023的两到三年中，公司将陆续发布5款电池管理芯片产品，以完善电池管理芯片的家族。

最后总结一下，可能在过去10年，电池管理芯片是和电动汽车行业相互成就的，并且互相促进发展。电池安全的问题，可能也是大家比较关注的一个问题，也是目前没有得到彻底解决的问题。

电池管理芯片的创新需要在热失控预警和电池失效方面发挥更多的价值，交流阻抗是大唐恩智浦目前认为热失控预测和电芯检测比较理想的参数。

大唐恩智浦已经在2021年集成了EIS功能的电池管理芯片，此后会陆续推出车规级的一些芯片，大唐恩智浦也希望和业界一起将电池管理芯片技术转化为新能源行业的变革。

全文完。