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目前，全球能源和環(huán)境系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)，汽車作為石油消耗和二氧化碳排放的大戶，需要進(jìn)行革命性的變革，目前全球新能源汽車發(fā)展已經(jīng)形成了共識。有人認(rèn)為，包括純電動、燃料電池技術(shù)在內(nèi)的純電驅(qū)動將是新能源汽車的主要技術(shù)方向，也有人認(rèn)為，油電混合、插電式混合動力才是重點。那么，新能源汽車市場的發(fā)展趨勢如何呢?新能源汽車的發(fā)展又能為半導(dǎo)體市場帶來哪些機遇和挑戰(zhàn)呢?凌力爾特公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品市場總監(jiān) Tony Armstrong 為大家作了詳細(xì)解答。

凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān) Tony Armstrong

1. 盡管純電動汽車始終是我國新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略布局重點，但也有不少專家認(rèn)為插電混動會是現(xiàn)階段更務(wù)實的一個發(fā)展方向。您認(rèn)為當(dāng)前及未來幾年內(nèi)新能源汽車市場發(fā)展趨勢如何 (全球及中國市場)? 哪些將會成為新能源汽車的技術(shù)變革方向?

答：汽車市場是凌力爾特公司重點關(guān)注的終端市場。上一財年，我們在汽車市場的收入已經(jīng)增長到占公司總收入的 20%，我們在汽車市場的收入增長速度持續(xù)高于公司的總體增長速度。汽車行業(yè)的大部分創(chuàng)新和差異化都源自汽車電子系統(tǒng)。提高行車安全性、燃油效率和舒適度的需求創(chuàng)造了巨大商機�；旌蟿恿π秃腿�電動型汽車的激增將穩(wěn)步促進(jìn)對創(chuàng)新性模擬電子產(chǎn)品的需求。除了汽車電子系統(tǒng)的增加，全球潛在汽車市場預(yù)計也將出現(xiàn)穩(wěn)步增長。

有很多汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在汽車停止運行以后也需要，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、車輛安全以及甚至個人信息娛樂系統(tǒng)，這常常包括導(dǎo)航、GPS 定位和緊急呼叫功能。也許很難理解，為什么這些系統(tǒng)必須保持接通，甚至在汽車停止運行時也需要，不過為了應(yīng)對緊急情況、保障車輛安全， GPS 系統(tǒng)是必須 “始終接通” 的。這個要求很有必要，只有這樣才能在需要時通過外部操作實施初步控制。對這類應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流，以延長電池壽命。凌力爾特一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于 5mA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。這些產(chǎn)品已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備，可供中國汽車電子制造商采用。

在大多數(shù)汽車環(huán)境中，當(dāng)?shù)蜔崃亢透咝�率很重要時，常常用開關(guān)穩(wěn)壓器取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個產(chǎn)品設(shè)計的 EMI 性能有顯著影響。濾波器常常用來在某個頻率上或某個頻率范圍內(nèi)衰減 EMI 強度，以降低 EMI。通過增加金屬和磁性屏蔽，可以衰減通過空間傳播 (輻射) 的 EMI 能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以抑制通過 PCB 走線 (傳導(dǎo)) 傳播的 EMI 能量。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信、信號處理和數(shù)字組件可以接受的水平。

無論每年銷售多少輛汽車，汽車中的電子系統(tǒng)都會繼續(xù)增加。對混合動力型和全電動型汽車的需求進(jìn)一步推進(jìn)了汽車電子市場的增長。隨著將電池作為電源這種方式日益流行，對于最大限度延長電池可用壽命，也出現(xiàn)了同樣的需求。電池不平衡 (即組成電池包的各節(jié)電池之間的充電狀態(tài)失配) 是大型鋰離子電池包的一個問題，這個問題是由制造過程、工作條件和電池老化程度的不同造成的。電池不平衡可能減小電池包的總體容量，并有可能損壞電池包。電池不平衡妨礙了從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的電池跟蹤過程，而這個過程如果不能嚴(yán)格監(jiān)控，就可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池。

對于混合電動型汽車和全電動型汽車電池包中使用的電池，電池制造商會針對其容量和內(nèi)部阻抗進(jìn)行分類，以減少交付給客戶的特定批次電池之間的差別。然后，用仔細(xì)挑選過的電池構(gòu)成汽車電池包，以提高電池包中電池之間的總體匹配度。理論上，這樣做應(yīng)該能夠防止電池包中出現(xiàn)很嚴(yán)重的電池不平衡，但是盡管如此，一個普遍的共識是，組成大型電池包時，要在電池包壽命期內(nèi)保持很大的電池容量，電池監(jiān)控和電池平衡都需要。凌力爾特新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 產(chǎn)品系列正是為了滿足這種需求而設(shè)計的，這些產(chǎn)品系列廣受歡迎，是目前在產(chǎn)及投入使用的小汽車和客車中采用的，也是為數(shù)不多的 BMS 品牌之一。

2. 2016年初，中國開始推行新的《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》與《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》，旨在推動和保證產(chǎn)品升級與技術(shù)先進(jìn)性。您認(rèn)為目前新能源/電動汽車市場面臨哪些主要挑戰(zhàn)(可分別從技術(shù)、市場等角度來闡述)? 如何克服? 會為相關(guān)的半導(dǎo)體市場帶來哪些機遇?

答：目前，大型、高壓可充電電池系統(tǒng)是電動型汽車中常見的動力源。這類大型電池組由串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列組成，能夠存儲大量能量 (數(shù) 10 千瓦時)。鋰聚合物或 LiFePO4 電池是常見選擇，因為這類電池能量密度高，有很強的峰值功率能力。與單節(jié)電池應(yīng)用一樣，必須仔細(xì)控制這類電池組中各節(jié)電池的充電，并嚴(yán)格監(jiān)控各節(jié)電池，以確保安全運行，防止電池過早老化或損壞。不過，與單節(jié)電池系統(tǒng)不同的是，串聯(lián)連接的電池組產(chǎn)生了一個額外的要求：電池平衡。

當(dāng)電池組中的所有電池都有同樣的電荷狀態(tài) (SoC) 時，這些電池是 “平衡的”。SoC 指的是，隨著各節(jié)電池的充電和放電，其當(dāng)前剩余容量與其最大容量之比。例如，一個 10 A-hr 電池，當(dāng)前剩余容量是 5A-hr，那么其 SoC 就是 50%。所有電池都必須保持在同一個 SoC 范圍之內(nèi)，以避免損壞或縮短壽命。如應(yīng)用不同，所允許的 SoC 最小值和最大值也不同。在最重視電池運行時間的應(yīng)用中，所有電池都可能在 20% SoC 最小值和 100% (滿充電狀態(tài)) 最大值之間運行。要求電池壽命最長的應(yīng)用也許限制 SoC 范圍為最小 30% 至最大 70%。這些數(shù)值是電動型汽車的典型 SoC 限制，這類汽車采用非常大、非常昂貴的電池，更換成本極高。BMS 的主要作用就是，仔細(xì)監(jiān)視電池組中的所有電池，確保所有電池在充電和放電時，無一超出該應(yīng)用的最小和最大 SoC 限制。

對于串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列，假定并聯(lián)連接的電池相互之間會自動平衡，一般而言是安全的。也就是說，隨著時間變化，并聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會自動平衡，只要電池端子之間的傳導(dǎo)通路存在。假定串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)隨時間變化往往出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致偏離的因素有多種。電池包中電池的溫度變化率或阻抗不同、自放電速率不同或各節(jié)電池的加載不同，都可能導(dǎo)致 SoC 逐漸發(fā)生變化。盡管與電池包的充電和放電電流相比，電池之間的這些不同往往顯得不那么重要，但是電荷狀態(tài)失配會逐漸累積而不會減弱，除非對所有電池進(jìn)行周期性平衡。各節(jié)電池的 SoC 會逐步變化，需要補償，這是平衡串聯(lián)連接電池的最根本理由。一般而言，對于容量嚴(yán)格匹配的電池組，無源或消耗性平衡方法足以應(yīng)對 SoC 的再平衡問題。

無源平衡方法簡單、價格低廉。然而，無源平衡速度非常慢，在電池包內(nèi)部產(chǎn)生不想要的熱量，是通過降低所有電池的剩余容量以與電池組中 SoC 最低的電池匹配，從而實現(xiàn)電池平衡。由于另一個常見問題，即容量失配，因而無源平衡方法有效應(yīng)對 SoC 誤差的能力也不足。所有電池都隨著老化而出現(xiàn)容量下降，而且由于與前述類似的原因，容量下降的速度往往不同。既然入出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的，那么電池組中容量最低的電池就決定了電池組的可用容量。只有有源平衡方法才能在整個電池組范圍內(nèi)重新分配電荷，補償電池之間失配導(dǎo)致的容量下降。

電池之間無論是容量還是 SoC 失配，都會嚴(yán)重降低電池組的可用容量，除非電池之間是平衡的。要最大限度提高電池組容量，就要求在電池組充電和放電時，電池之間是平衡的。

例如，有一個由 10 節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，每節(jié)電池都是 100A-hr (標(biāo)稱值)，從容量最小的電池到容量最大的電池，容量誤差為 +/-10%，對這個電池組充電和放電，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的 SoC 限制為止。如果 SoC 值限制在 30% 至 70%，且沒有進(jìn)行電池平衡，那么在一次完整的充電 / 放電周期之后，相對于這些電池的理論可用容量，實際可用電池組容量降低 25%。在電池組充電時，無源平衡方法理論上可以平衡每節(jié)電池的 SoC，但是在電池組放電時，這種方法卻無法防止 10 號電池先于其他電池達(dá)到 30% SoC 值。即使在電池組充電時采用了無源平衡，在電池組放電時仍然會有大量容量 “丟失” (不可用)。只有采用有源平衡解決方案，在電池組放電時，從高 SoC 電池向低 SoC 電池重新分配電荷，才能實現(xiàn) “容量恢復(fù)”。

采用 “理想的” 有源平衡方法，可以 100% 恢復(fù)由于電池失配而 “丟失的” 容量。在穩(wěn)定狀態(tài)下使用這種方法時，當(dāng)電池組從其 70% SoC “滿” 充電狀態(tài)放電時，必須將 1 號電池 (容量最大的電池) 存儲的電荷有效地取出，并傳送給 10 號電池 (容量最小的電池)，否則 10 號電池就會先于其余電池達(dá)到其 30% 最低 SoC 值，這時電池組放電必須停止，以防電池組壽命進(jìn)一步縮短。類似地，在充電時，電荷必須從 10 號電池轉(zhuǎn)移出來，重新分配給 1 號電池，否則 10 號電池就會先于其他電池達(dá)到其 70% SoC 上限，充電周期就必須終止。在電池組工作壽命期內(nèi)的某一點，電池老化程度的不同將不可避免地導(dǎo)致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能通過按需從高 SoC 電池向低 SoC 電池重新分配電荷，以實現(xiàn) “容量恢復(fù)”。要想在電池組壽命期內(nèi)實現(xiàn)最大電池組容量，就需要用有源平衡解決方案給各節(jié)電池高效率地充電和放電，以在整個電池組內(nèi)保持 SoC 平衡。

凌力爾特的 LTC3300 (參見圖 1) 是一款專門為滿足電動型汽車高性能有源平衡需求而設(shè)計的新產(chǎn)品。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制 IC，是高性能 BMS 系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。每款 IC 都可以同時平衡多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子或 LiFePO4 電池。

圖 1：凌力爾特的 LTC3300 是一款面向電動型汽車的雙向有源電池平衡器

SoC 平衡是通過在指定電池和多達(dá) 12 節(jié)或更多相鄰電池之間重新分配電荷來實現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由一個單獨的、控制 LTC3300 的監(jiān)視器件和系統(tǒng)處理器來處理。從指定電池向 12 節(jié)或更多相鄰電池重新分配電荷，以給該電池放電。類似地，從 12 節(jié)或更多相鄰電池向指定電池傳送電荷，以給該電池充電。所有平衡器都可以同時以某一電荷傳送方向運行，以最大限度縮短電池組平衡時間。所有平衡控制命令都通過一個可疊置的、噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個 IC，而對疊置高度沒有限制。

LTC3300 中的每個平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級，以實現(xiàn)各節(jié)電池的高效率充電和放電。6 個平衡器中每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的 “主” 邊都跨接在被平衡的電池兩端，“副” 邊則跨接在 12 節(jié)或更多相鄰電池構(gòu)成的電池組的兩端，其中包括被平衡的電池。副邊跨接的電池數(shù)量僅受到外部組件擊穿電壓的限制。與外部開關(guān)和變壓器的調(diào)節(jié)范圍相對應(yīng)，電池的充電和放電電流可通過外部檢測電阻器設(shè)定為高達(dá) 10A 以上的值。是否排序以及是否對通過主邊和副邊組件的 IPEAK/IZERO 電流進(jìn)行檢測，取決于平衡器是否啟動以給某節(jié)電池充電或放電。通過同步運行和恰當(dāng)?shù)剡x擇組件可以實現(xiàn)高效率。各個平衡器都是通過 BMS 系統(tǒng)處理器啟動的，這些平衡器將保持啟動狀態(tài)，直到 BMS 命令要求停止平衡或者檢測到故障情況為止。

電池包最大的難題之一是熱量。高環(huán)境溫度會迅速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是，在大電流電池系統(tǒng)中，平衡電流也必須很大，以延長運行時間，或?qū)崿F(xiàn)電池包的快速充電。效率欠佳的平衡器會導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生不想要的熱量，這個問題必須通過減少在給定時間可以運行的平衡器數(shù)量或者通過昂貴的減熱方法來解決。LTC3300 在充電和放電方向都能實現(xiàn) >90% 的效率，相對于效率為 80% 的解決方案而言，在平衡器功耗相等的情況下，這允許平衡電流提高一倍以上。此外，平衡器效率越高，電荷分配就越有效，這又會使容量恢復(fù)更有效、充電速度更快。

圖 2：LTC3300 怎樣在整個電池組內(nèi)傳送電荷

在整個電池組內(nèi)傳送電荷是通過副邊交錯連接實現(xiàn)的，如圖 2 所示。以這種方式交錯連接，允許電荷從 6 節(jié)電池構(gòu)成的任何電池組傳送到相鄰電池組。請注意，相鄰電池在電池組中可以是上面的電池，也可以是下面的電池。當(dāng)優(yōu)化平衡算法時，這種靈活性非常有用。對交錯系統(tǒng)的常見誤解是：從非常長的電池組的頂部向底部重新分配電荷效率一定非常低，因為從頂部向底部移動電荷需要大量轉(zhuǎn)換。然而實際上，僅通過向或自最靠近需要平衡的電池的那些電池重新分配電荷，就可完成大多數(shù)平衡。在由 10 節(jié)或更多節(jié)電池組成的副邊電池組中，僅通過運行 1 個平衡器，就允許比較薄弱的電池恢復(fù)超過 90% “丟失” 的容量，否則這種電池就會限制整個電池組的運行時間。因此，憑借 LTC3300 的交錯拓?fù)�，無需從電池組頂部一路將電荷移動到底部，大多數(shù)平衡工作是靠相鄰電池在局部完成的。

除了提供出色的電氣性能，LTC3300 雙向有源平衡器還提供很多行車安全功能，以防止平衡時出現(xiàn)閃失，并保持最高可靠性。數(shù)據(jù)完整性校驗 (對所有入出數(shù)據(jù)、看門狗定時器和回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗) 防止平衡器響應(yīng)意外或錯誤的命令。可編程伏-秒箝位確保平衡時電流檢測故障不會導(dǎo)致出現(xiàn)電流失控。逐電池過壓和欠壓校驗以及副邊過壓檢測可在平衡時防止突然發(fā)生的電池束線故障損壞平衡電路。

這些特性使 LTC3300 能夠在串聯(lián)電池系統(tǒng)中提供高性能，并提供可靠的有源平衡，例如電動型汽車中常見的那類串聯(lián)電池系統(tǒng)。隨著這類系統(tǒng)中電池的老化或需要更換，補償由此導(dǎo)致的電池容量失配以防進(jìn)一步損害運行時間、充電時間或電池包壽命，這變得越來越重要了。