電動車與機器人的電池管理與電源技術(shù)全解析

對于所有依靠電池運行的設(shè)備而言，電源管理是核心課題，無論是延長電動車的續(xù)航里程、機器人的運行時長，還是消費設(shè)備的使用時間。電池管理技術(shù)已相當(dāng)成熟，但業(yè)界仍在持續(xù)創(chuàng)新，不斷提升系統(tǒng)效率。

電池系統(tǒng)涵蓋一系列復(fù)雜的芯片與子系統(tǒng)，用于優(yōu)化電流與功率在三個關(guān)鍵階段的流動：將電網(wǎng)電力輸入電池；通過電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)測電量、健康狀態(tài)與剩余壽命；以及將電池電力輸出至車輛、機器人或其他設(shè)備。

電力輸入與輸出的流程在電動車和人形機器人等邊緣設(shè)備上基本相同。英飛凌科技應(yīng)用工程總監(jiān)Jim Pawloski表示："機器人面臨的挑戰(zhàn)完全一樣。機器人的總線電壓——用于驅(qū)動所有電機和執(zhí)行器的電壓——是48伏，因為48伏屬于低壓或非危險電壓，超過60伏則視為高壓。但機器人同樣需要電池組（可以是鋰離子或其他化學(xué)體系），同樣需要BMS系統(tǒng)來監(jiān)測電池組的健康、電量和溫度，也同樣使用微控制器（MCU）。"

將電力輸入電池

電池充電是整體電氣化方案中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充電時間是核心指標(biāo)。

西門子EDA電池行業(yè)全球負(fù)責(zé)人Puneet Sinha表示："目前很多電動車企業(yè)的最快充電速度是15分鐘從0%充至80%。若要提升充電速率或在極端天氣下提高可靠性，關(guān)鍵在于電池設(shè)計——采用何種材料和電芯設(shè)計來接受快速充電，同時確保充電側(cè)電子設(shè)備能夠承載相應(yīng)的電流。"

在電動車中，車載充電模塊（OBC）負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，推動電流進(jìn)入電池。Pawloski解釋道："這是將電子強行壓入電池，與電池放電時向負(fù)載提供電子的方向相反，整個過程要求效率極高，達(dá)到98%左右。"

熱管理同樣是一大挑戰(zhàn)。Pawloski指出："交直流轉(zhuǎn)換依賴于半導(dǎo)體器件的高速開關(guān)切換，有時頻率高達(dá)數(shù)百千赫。每次開關(guān)動作都因器件非理想特性而產(chǎn)生熱量，每秒數(shù)十萬次的切換會積累大量熱耗散，這被稱為開關(guān)損耗。"

基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的功率器件有效降低了開關(guān)損耗。Pawloski說："從0伏切換到400伏的時間越短，損耗就越小；過渡時間越長，散熱就越多。"

因此，充電電子設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要。Sinha表示："這正是我們看到碳化硅逆變器創(chuàng)新和應(yīng)用大幅增加的原因，業(yè)界也在研究對線纜進(jìn)行冷卻，因為它們可能成為熱點。"

車載充電器具備通用性，可適配120伏家用插座或240伏二級充電樁（Level 2），并自動將其升壓至電池所需的直流電壓。

另一種充電方式是直流快充，如特斯拉超級充電樁，能在極短時間內(nèi)向電池輸入大量能量，但這種方式對電池的損耗比普通充電更大。Pawloski說："直流快充繞過了車載充電器，直接向電池提供直流電，功率可高達(dá)750千瓦——足以為一個小型居民區(qū)供電。為此，充電線纜內(nèi)置了冷卻液通道，車輛電池本身也有內(nèi)部冷卻系統(tǒng)協(xié)同運作。"

這使得9分鐘極速充電成為可能，但快充會加速電池老化。Synopsys首席工程師Bryan Kelly指出："電池老化是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，主要分為日歷老化和循環(huán)老化兩類。頻繁快充、高倍率放電、深度充放循環(huán)以及在極端溫度下工作，都會加速電池劣化。"

用于充電側(cè)的芯片包括功率開關(guān)、柵極驅(qū)動器和MCU。柵極驅(qū)動器控制功率器件的開關(guān)，并在高壓側(cè)與低壓側(cè)之間提供電氣隔離。MCU則運行算法控制功率器件的切換，并執(zhí)行溫度監(jiān)測、輸入電壓監(jiān)測等安全功能，需滿足ISO 26262的ASIL-D最高安全等級要求。

電池更換

電池更換在工業(yè)應(yīng)用中正逐漸普及，尤其是在長途卡車車隊、末端配送車輛和工廠機器人領(lǐng)域。Sinha表示："這一概念此前在乘用車上嘗試過，但商業(yè)上未能成功。如今隨著規(guī)模擴大和業(yè)務(wù)需求的增長，電池?fù)Q電對整體電池包架構(gòu)和連接方式提出了新要求，需要確保電池能夠輕松拆卸和正確安裝。"

換電模式讓用戶可以快速獲取滿電電池，而耗盡的電池則可在夜間緩慢充電。在車隊?wèi)?yīng)用中，還需要能量管理系統(tǒng)（EMS）統(tǒng)籌管理所有電池，通過實時數(shù)據(jù)看板掌握每臺設(shè)備的電量狀態(tài)，判斷哪塊電池需要更換、哪臺設(shè)備可以繼續(xù)運行。

電池管理系統(tǒng)

電力進(jìn)入電池后，由電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)監(jiān)控和均衡管理。

Synopsys的Kelly指出："'電池'這個詞經(jīng)常被混用，它可以指單個電芯、模組或由多個電芯組成的整包。BMS功能和電芯間均衡只在整包層面才有意義。"

BMS主動監(jiān)測每個電芯的電壓、電流、溫度，估算電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH），并預(yù)測剩余使用壽命（RUL）。這對于質(zhì)量評估、壽命預(yù)測和降低保修成本至關(guān)重要。

True Balancing聯(lián)合創(chuàng)始人Clint O'Conner表示："當(dāng)電池老化后，各電芯的衰減程度不盡相同，容量、自放電率和內(nèi)阻都會出現(xiàn)差異，導(dǎo)致各電芯的能量和荷電狀態(tài)產(chǎn)生偏差。"

BMS最基本的功能是防止過充和過放。O'Conner解釋道："電壓過高或過低都會導(dǎo)致電流通過內(nèi)阻產(chǎn)生熱量，從而加速電池劣化。"此外，BMS還能防止過流，即便在荷電狀態(tài)居中的情況下，過高的充放電倍率同樣會加速電池?fù)p耗。

將電力從電池輸出至車輛

電池充電完成后，能量將用于驅(qū)動車輛或機器人運動，以及滿足其他功能需求。整車能量管理因此成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

Sinha舉例說："特斯拉Model S和奧迪E-tron尺寸相近、電池容量相當(dāng)，但續(xù)航里程差異顯著。這不僅取決于電池儲能，更取決于能量的利用效率——BMS、逆變器和電機的集成程度，以及座艙冷卻等輔助用電的能耗管理，都是影響因素。"

電池上最主要的負(fù)載是牽引逆變器，它將電池的直流電轉(zhuǎn)換為可變頻率的交流波形，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。多電平變換器通過逐級升壓（而非從0直接跳變至電池電壓）來提升效率，例如將電池分成多個20伏模塊，依次串聯(lián)疊加形成正弦波，再通過功率開關(guān)反轉(zhuǎn)極性實現(xiàn)負(fù)半周輸出。

對于汽車應(yīng)用，具備六核架構(gòu)的ASIL-D MCU可讓每個核心配備獨立的檢查核心，同步運行相同軟件并比對輸出結(jié)果，一旦發(fā)現(xiàn)差異即觸發(fā)報警。MCU中的算法根據(jù)駕駛員的扭矩請求，精確控制功率開關(guān)的行為。

PMIC在電池供電邊緣設(shè)備中的作用

電源管理芯片（PMIC）在電池電力分配中承擔(dān)監(jiān)督角色，負(fù)責(zé)上電時序管理、充電控制以及電壓電流監(jiān)測，確保系統(tǒng)安全運行，在電動車、人形機器人和小型邊緣設(shè)備中均不可或缺。

Synaptics的Dave Garrett表示："PMIC是低功耗方案中不可或缺的組成部分。鋰離子電池的電壓通常在3.2伏至4伏之間波動，這種壓差對供電穩(wěn)定性影響很大。PMIC的任務(wù)就是將這個不穩(wěn)定的輸入轉(zhuǎn)換為芯片核心所需的0.7伏穩(wěn)定電壓。"

線性穩(wěn)壓器（LDO）雖然成本低、實現(xiàn)簡單，但效率極低。相比之下，采用高效開關(guān)變換的定制PMIC能夠在多路電源軌上實現(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換。"效率是邊緣側(cè)的核心競爭力，"Garrett強調(diào)，"即使數(shù)字電路做到了極致低功耗，如果PMIC不夠出色，一切努力都會付諸東流。"

Rambus芯片產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Piero Bianco指出，PMIC的應(yīng)用場景正在快速演進(jìn)："自動駕駛汽車是一大挑戰(zhàn)領(lǐng)域，類似于數(shù)據(jù)中心的AI需求，自動駕駛AI也對負(fù)載電流和電壓調(diào)節(jié)提出了更高要求，還需在惡劣環(huán)境下應(yīng)對寬范圍的電池電壓輸入、嚴(yán)格的電磁兼容約束和高安全標(biāo)準(zhǔn)。"

AI的發(fā)展也帶來了更復(fù)雜的功耗挑戰(zhàn)。Bianco觀察到："AI推動了所有服務(wù)器子系統(tǒng)的功耗需求升級。在內(nèi)存子系統(tǒng)中，內(nèi)存速度的持續(xù)提升帶來了更高的負(fù)載電流需求、更精細(xì)的電壓調(diào)節(jié)要求和更嚴(yán)苛的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)格，同時還要求PMIC在更小的封裝尺寸內(nèi)實現(xiàn)更高效率。"

結(jié)語

隨著更多電動車上路、機器人大規(guī)模部署以及無人機和電動飛機的興起，高效的電池管理變得愈發(fā)重要。技術(shù)手段也隨著應(yīng)用場景和電池化學(xué)體系的演進(jìn)而不斷創(chuàng)新。

Imagination Technologies產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Rob Fisher表示："整車廠過去靠發(fā)動機的機械性能來建立差異化優(yōu)勢，但現(xiàn)在已不再如此——電動車沒有發(fā)動機，差異化競爭轉(zhuǎn)向電池續(xù)航和座艙體驗。"

能源效率同樣影響整車電氣架構(gòu)的設(shè)計。Sinha補充道："車輛的設(shè)計方式和線纜長度都很關(guān)鍵，每一個細(xì)節(jié)都會累積疊加，最終影響整車的總重量。"

Q&A

Q1：車載充電器（OBC）和直流快充有什么區(qū)別？哪種對電池傷害更大？

A：車載充電器（OBC）將電網(wǎng)的交流電在車內(nèi)轉(zhuǎn)換為直流電，再輸入電池，過程相對溫和，效率約98%。直流快充則繞過車載充電器，由外部充電樁直接向電池輸送直流電，功率最高可達(dá)750千瓦，充電速度極快，但會對電池產(chǎn)生更大壓力，頻繁使用會加速電池老化，縮短使用壽命。

Q2：電池管理系統(tǒng)（BMS）主要監(jiān)測哪些內(nèi)容？

A：BMS會主動監(jiān)測每個電芯的電壓、電流和溫度，并據(jù)此估算電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH），同時預(yù)測剩余使用壽命（RUL）。其最基本的功能是防止過充和過放，避免因電壓過高或過低導(dǎo)致電池產(chǎn)生熱量而加速劣化，還能防止過高的充放電倍率造成額外損耗。

Q3：PMIC在邊緣設(shè)備中起什么作用？

A：PMIC（電源管理芯片）負(fù)責(zé)將電池輸出的不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為各芯片所需的穩(wěn)定工作電壓，同時管理上電時序、充電控制及電壓電流監(jiān)測。鋰離子電池電壓通常在3.2伏至4伏之間波動，PMIC需將其精確穩(wěn)壓至芯片核心所需的極低電壓（如0.7伏）。相比線性穩(wěn)壓器，高效開關(guān)型PMIC能顯著降低能量損耗，是邊緣設(shè)備實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵所在。