芝能智芯出品
对电动汽车的电池管理系统而言, 用以测量的基础, 是电压究竟为多少, 电流究竟为多少, 温度究竟为多少。此三个数值甚为重要。
若是没有那些, 对于电池何时应当充电、何时应当停止充电, 不管是车辆一端还是云端一端确实都极为困难, 当然啦, 三个物理参数仅仅能够看到电池表面呈现的状态。至于电池内部究竟正在发生些什么, 它们完全一无所知。
这三样物品, 它们如同电池的体温计、血压计以及听诊器, 各自发挥着作用能告知你电池出现了“发烧”的状况, 但却寻觅不出致使发烧的源头究竟在何处。
电化学阻抗谱, 简称为EIS, 其所做之事，等同于给电池制作了一张心电图。
Part 1EIS一开始定位于实验室设备，就像激光雷达一样
EIS 电化学阻抗谱
在实验室当中, EIS已经被使用了许多年, 给电池通入一小段交流电, 针对各个不同的频率均予这样通入一次, 观察电池会做出怎样的回应。
高频段, 可看出电子在导体之中跑得速度的快慢情况, 中频段, 能看出锂离子从液体向固体钻进时界面反应是否顺畅的状况, 低频段, 能看出锂离子在固态材料里头扩散是否堵住 的情形。
对待这三个频段, 电池所做出的回应, 被绘制于同一个图当中, 绘制出来呈现为一条有着“双半圆加一根斜线”形态的曲线 , 此曲线称作 Nyquist 图。
右边大半圆的直径增大, 这是SEI膜在变厚以及出现劣化。左边半圆的位置产生变化, 这是电荷转移的界面在老化发展。斜线的角度变得陡峻, 这是扩散的道路越发艰难难行。
位于实验室当中去做这件事情并非是复杂的, 存在一台频谱分析仪, 还有一个小信号发生器, 在台子上面连接好线路便能够扫描一整张完整的阻抗谱。困难之处可是要将这一整套的实验室设备放置进车子里面。
车上做EIS的挑战不在算力不够，在信号太弱。
所给, 电池的, 那个, 毫伏级, 交流扰动, 于的, 电池, 自身, 反应信号呢, 相比之下, 更微弱；高压线束, 存在, 寄生电感, 进而, 产生, 干扰；电机控制器, 工作期间, 伴随, 开关噪声；充电机, 运行之际, 向外, 进行, 辐射。
你所需的芯片, 要能够在这般噪声当中, 捕捉到处于毫伏级别的信号, 运用具备纳秒级同步精度手段, 精确算出电压与电流之间的相位差。
Part 2对应的BMS芯片方案
先前, 英飞凌发布了集成EIS功能的BMS芯片, 恩智浦也发布了集成EIS功能的BMS芯片, 此次, 德州仪器发布的BQ79826Z-Q1同样具备集成EIS功能这一特性。
TI是怎么在这颗芯片里做EIS的
BQ79826Z-Q1有几个参数值得细看。
单芯片所能管理的电芯数量最多可达26节, 相较于当前市面上的同类竞争产品, 多出了8节。通道数量较多, 如此一来, 所需的监控芯片的总数量便减少了, 随之物料成本也跟着降低, 布线复杂度同样下降, 电路板空间也跟着被压缩了。
于零下四十度至零上一百二十五度的整个温度范围之内, 电压测量精度比两毫伏更为优异, 这个数值置于电池管理芯片里头堪称顶级的, 模数转换器分辨率很高, 本底噪声很低, 计算得出的荷电状态就更加精准。
TI于这颗芯片之上, 将EIS的测量速度达成了相比上一代方案快达五倍的程度。频谱扫描速度加快之后, 往昔唯独能于停车之际或者慢充之时开展的EIS分析, 如今有希望在动态工况状况下同样得以运行起来。
存在于芯片内部所集成的DFT引擎, 直接去做频域变换, 并不需要将原始数据传递到主控MCU之上再实施计算。在片上完成阻抗计算之后, MCU仅仅只需接收一份干净的复数结果就行。一来通信带宽得到节省；二来MCU的计算负载也得以减轻。
写在于产品规格里的, 有ISO 26262 ASIL-D这一项合规标记, 这颗芯片于设计阶段起就在内部架构写入功能安全。
BQ79826Z - Q1, 其数量最多可达128颗以实现堆叠, 它与TI自家的电池包监控器相搭配, 并且和TI自家的通信桥接器凑在一起, 以此能够组建出一套可符合不同模组尺寸要求的高压BMS平台, 还能符合涵盖不同电芯化学体系的条件, 同时适配不同PACK结构状况的高压BMS平台。
德州仪器它自己于PCIM展会上搭建好了一套基于电隔离接口采样的电池管理系统参考设计, 将其开放出来供汽车企业能在上面开展二次开发操作, 啊。
NXP走了另一条路：三颗芯片拼出同样的东西
恩智浦在二零二五年年末推出了一组增强电导率感应芯片组, 所走的是与德州仪器全然不同的途径。恩智浦挑选了三颗芯片, 各自主负责一项事务。
BMA8420管担当激励角色, 此激励负责为电池包注入交流信号, 并且同时对母线电容予以管理, 它的激励效率相较于上一代方案提升了40%。
实施针对BMA7418管的测量, 将电压信号予以DFT变换, 在片上直接达成频域计算。
BMA6402将多节电芯各自的数据, 进行汇总, 使其成为一条总线的数据, 而后朝着上方发送给主控。
NXP的这一套三芯片方案采用了引脚兼容设计, 这种设计能够直接用于替换现有的NXP BMS芯片。对于车企而言, 要是原来使用的是NXP的S32K3系列主控, 那么在这种情况下, 是不需要去改动电池包的硬件的, 只需要更换三颗新的片子, 并且升级算法固件就可以达成目的。如此一来, 系统硬件改动所产生的成本达到了降至最低的状态。
还有一个重要维度是同步精度, 三颗片子之间时钟对齐达到了150纳秒。在EIS测量当中, 最让人担心的是相位算得不正确。
电流信号与电压信号, 只要二者之间在采样窗口上相差了几个微秒, 那么相位就会出现漂移现象, 如此一来, 所计算得出的阻抗实部以及虚部就变得不可靠了。在车载环境当中, 150纳秒的同步精度, 足以将相位误差压制到一个能够被接受的水平。
恩智浦的这一套方案, 能够凭借EIS数据对电芯核心温度进行反向计算, 其精度达成了正负1度的标准。
每节电芯外壳上贴有NTC热敏电阻, 传统BMS依存于此, 所测量永远是表面温度, 核心温度借助算法外推。其中, 热电偶从表面向核心热传导存在延迟, 而在超快充场景下, 这个延迟是极为致命的。
壳外温度尚未触发警报情况, 而芯部已然温度过高了。EIS借助高频阻抗改变直接推算芯体温度数值, 如此便避开了该延迟状况。
现在NXP方案存在着一个限制, 这个限制是激励信号强度, 激励信号强度依赖于车载DC-DC的功率输出, 而其能覆盖的频率范围仅仅只有1赫兹到100千赫兹。
站在这个视角来看, 低于1赫兹的低频扩散阻抗当下暂时没办法进行测量。只有将车停下保持一动不动才能测低频, 在车辆行驶过程中是做不到的。在汽车上要是想要获得一个完整的涵盖所有频率的EIS扫描, 依靠NXP目前现有的方案还远远不足。
小结
2026年, EIS集成至电池管理芯片, 继而开启量产程序, 传统仅测量电压、电流以及表面温度这种BMS方法, 是无法守住下一代电池安全要求的, 电池的能量密度越高, 安全预警对于信号维度的要求也就越高。
经改写后: 电池管理芯片标准的配置是具备EIS, 这种情况可“见到”源自电池里面的状况。
