村田电子：小电芯组合成大电池，保证性能和安全，BMS是关键！

　　为了实现碳中和，人们正在开发和利用有助于摆脱化石燃料的多种技术，例如信息处理技术、电池技术、半导体、系统技术和电机技术等。为了利用先进技术来创造和有效利用新能源，还需要针对新技术进行优化后的周边技术。电容器、电感器、模块元件、传感器等也将出现新的技术需求。

　　上期我们介绍了“使用SiC/GaN功率半导体提高功率转换效率，电容器、电感器等无源元件技术进步的重要性”。电池对于实现碳中和越来越重要，这里将对保持电池长期处于健全状态并安全使用电池所必不可缺的电池管理系统(BMS)及其中使用的电子元件进行解说。

　　因全球变暖对策而突然受到关注的技术有多个，典型的有太阳能/风力发电、电动汽车(EV)、功率半导体和燃料电池等。在这些技术中，电池是长期以来一直很重要且被大范围使用、近年来重要性急剧增加的电气元件。

　　电池以前是玩具和手电筒等当中、现在是笔记本电脑和智能手机等便携式设备当中必不可少的电源。然而，随着迄今为止燃烧化石燃料的机器和设备逐步实现电气化以及可再生能源的使用逐步推广，电池的新用途正在迅速扩大。人们比以往任何时候都更渴望推出高性能、高可靠性且安全的电池。

　　例如，像电动汽车、电动船舶和飞机那样，将功率很高的发动机作为动力来源/热源的移动设备实现电气化时，需要很先进的电池。需要满足以下全部高水平要求：实现更长的连续使用时间所需的大容量化、实现从小功率到大功率的快速充放电所需的高输入/输出化、实现即使反复充放电也能在长时间内不发生劣化的长周期生命化、能在多种温度、振动和冲击等条件下使用的高安全性等。

　　EV和ESS所需的电池，呈现大容量化、高电压化和长寿命化的趋势。

　　然而，即使对于在电动汽车等新场景使用的电池，其基本结构和使用的材料也与智能手机中使用的传统电池没有太大区别。从容量、功率、寿命等多个角度来看，最易于使用的电池——锂离子二次电池一直在使用，没有进行过重大改进。

　　锂离子二次电池的每个电芯(电池的最小构成单位)的工作电压在充满电时约为4V，在放电后约为2V。用于智能手机的锂离子二次电池的工作电压也与此相同。此外，新推出的电动汽车中配备的电池的每个电芯实现的容量约为26Ah。智能手机中的每个电芯的容量约为3Ah，电动汽车中的电池确实有点大，但作为驱动电动汽车这样的重型机器的电池仍可以说比较小。

　　实际上，电动汽车的电机采用400V至800V的高压电源驱动，为了获得有实用性的续航里程，需要配备的电池容量很大，超过50kWh。通过将1000个以上的电芯组合并进行串联和并联排列，从而实现电动汽车的电池规格。将一定数量的电芯组合而成的高电压、大容量化电池被称为模块，而将多个模块进一步组合而成的电池叫做电池包。

　　为了采用这种将小电芯组合成大电池的方法，需要先解决一个问题。

　　一般来说，每个电芯的容量和输入/输出等特性会因材料和制造的差异而具有个体差。而且，随着反复充放电的进行，其承受来自充放电等环境的应力的能力也存在个体差，因此电芯之间的个体差呈现增大的趋势。这些个体差对由很多电芯构成的模块和电池包整体的寿命和输出等特性会产生重大影响。这是因为模块和电池包的特性是由所使用的电芯当中性能和承受环境应力的能力最差的电芯决定的。一般来说，各个电芯的周围环境温度、充放电时的电压和电流都存在波动(称为“应力强度”)，因此对应力的抵抗能力越低，劣化程度就越高。特别是如果由于过充(放)电、过热、内部短路等原因而导致容量不足或失去电源等，则可能会导致车辆无法控制或无法行驶，甚至引发事故。

　　BMS是有效利用电池的关键系统

　　在此背景下，为了长期保持由多个电芯组合而成的模块和电池包的性能并安全地使用，需要创建一个可以将每个电芯的劣化降低到很小的工作环境。为了实现此目的而承担对每个电芯的动作和状态进行密切监视和控制的控制系统就是电池管理系统(BMS)。

　　在BMS当中，对每个电芯的动作和状态进行高精度和高分辨率的持续监控。对电芯的动作和状态进行监控要使用对电压、电流、温度和泄漏等进行监测的传感器。而且，对充放电进行控制并保持平衡使特性尽可能达到均一，从而对以电芯和模块为单位的轻微不匹配和不平衡进行补偿。由此尽量改进模块和电池包的使用寿命和性能并确保安全性。

　　而且，通过微型计算机中的软件控制将电池的规格和设计规定的使用范围与收集到的数据进行比较，并进行：

　　预防过度充电和过度放电导致电芯劣化并损害安全性的充放电控制;

　　防止危险的过电流的充放电控制;

　　实现安全平稳动作的温度管理;

　　电池剩余电量(SOC)计算;

　　为尽量改进续航距离和使用寿命而进行的电芯电压均等化(称为电池平衡)等。

　　此外，如果检测到过度充电或过热等异常情况，会向其他车载系统发出警报并向具有断开输出电力功能的控制电路发出通知，从而防止事故发生。

　　BMS的性能取决于其内置控制功能的多样性和精度。但是，要实现高性能，其大前提是检测电芯的动作和状态的传感器和BMS电路中使用的许多电子元件具有高精度(图3)。此外，由于需要监控大量电芯，所以BMS电路构成本身变得非常复杂，需要更小、更轻的传感器和元件。

　　BMS的重要功能——电芯平衡技术，有两种方式：

　　一种是被动方式：利用放电开关让高电压电芯强制放电，将其与低电压电芯之间的电容差转化为热量，实现电压均等。

　　另一种是主动方式：在容量和电压不平衡的相邻电芯之间流过电流使电芯的充电状态实现均等。为了将电池的潜在能力用尽，需要采用主动方式。

　　为了将电池的潜在能力用尽，需要采用主动方式。

　　BMS的性能取决于其内置控制功能的多样性和精度。但是，要实现高性能，其大前提是检测电芯的动作和状态的传感器和BMS电路中使用的许多电子元件具有高精度(下图)。此外，由于需要监控大量电芯，所以BMS电路构成本身变得非常复杂，需要更小、更轻的传感器和元件。

　　在迄今为止的BMS中，通过将传感器收集的数据与预先输入的规则和控制范围进行比较来推测每个电芯的动作和状态。人们现在正在考虑引入让人工智能(AI)学习电池的电化学现象的趋势从而做出更准确的推测的技术。期待通过使用名为“AI BMS”的技术能够推测快速充电中的电芯性能并尽早发现电芯劣化。

　　此外，近年来，引进将模块之间及其与BMS之间的连接控制线无线化后的无线BMS(wBMS)受到了人们的关注。它能减少跨越模块之间的电缆数量，因此能减轻重量并更容易在难以到达的位置进行布线。应用于电动汽车的BMS时，据说每辆车可以减少大约10m的电缆以及有线连接时使用的连接器和变压器。而且，还可以在空余的空间中配备电芯，从而增加电池容量。但是，与有线连接相比，信号传输路径的环境不稳定，故障风险会增加。

　　目前已经出现了将wBMS应用到电动汽车和大型储能系统(ESS)的动向。要实现wBMS，需要应用高可靠性、低延迟的无线技术。开发无线IC的半导体制造商在大多数场合下会建议使用特有标准的无线技术，其中大多数使用2.4GHz的ISM频段无线。

　　在电动汽车和储能系统的电池中可能会使用多个小型且高可靠性的无线模块。随着无线模块的发展，可以适用wBMS的应用范围可能将进一步扩大。