电池芯片（Chip-on-cell）技术可以监测每个电池，为电动汽车电池的安全性、性能和成本的提高做出了重大贡献

作者：Dukosi全球销售与营销副总裁Joseph Notaro

电动汽车（EV）被广泛认为对减少全球排放至关重要，但大众市场的采用可能会受到对为其供电的电池组的安全性和性能的担忧的阻碍。本文将探讨电池技术的技术进步如何解决这些挥之不去的问题。特别是电池监测，是确保电池组安全的关键因素，本文还将描述Dukosi的单体芯片技术如何显著提高对电动汽车电池组的安全性、可靠性和效率的控制，同时提高成本效益。


图1: Dukosi电池芯片应用于棱柱形电池

现代电池技术的演变

与许多新技术一样，在电动汽车市场的早期阶段，大型高压（HV）电池引起的一系列引人注目的问题给广大公众留下了持久的负面印象和担忧。几起广为人知的由热失控引起的过热案例，通常是由碰撞或误用引起的，导致人们认为电动汽车电池本质上是不安全的。
另一种观点认为，电池极其复杂，这源于第一批安装在电动汽车中的电池所附带的大量新组件。这种最初的设计复杂性导致了相应的复杂制造过程，这些过程很难自动化，使得这些早期电池的价格高得令人望而却步。其他导致当前看法的早期问题包括对运输和回收成本以及电池寿命的担忧。
然而，现实情况是，电池开发并没有停滞不前，目前的电动汽车电池及其相关工艺与这些早期版本有很大不同。近年来，电动汽车电池的安全性显著提高，这得益于智能保险丝、耐用外壳材料和故障隔离内部结构等方面的进步，以及严格的测试和认证要求，这些要求现在确保设计符合最高的安全标准。电池化学、电池架构和制造工艺的创新也降低了其复杂性并延长了寿命，制造商现在提供长达8至10年的电池保修。
欧盟电池护照等新法规正在帮助解决对可持续性、运输和处理的担忧。通过提供电池历史和健康状况的数字记录，电池护照可以帮助减少保险和运输费用。电池护照还促进了在寿命结束时更好的回收实践，从而实现了再利用和减少浪费。工程师可以使用电池历史和SoH的信息，将其重新用于要求较低的应用，如电网或可再生能源的储能。
电池管理系统（BMS）在电池安全、性能和寿命方面发挥着关键作用，BMS的进步对上述改进做出了重大贡献。

BMS架构

BMS监测电池单元的电压和温度等关键参数，并管理与充电网络的连接。然而，实现这一功能需要将接线机和传感器集成到密闭空间中，从而给电池带来额外的重量、成本和复杂性。传统的BMS架构通过在电池组内的关键点放置温度传感器来进行权衡，监测电池组而不是单个电池，从而产生了一些局限性。安全性受到损害，因为温度异常的检测依赖于温度升高从受影响的电池到相邻电池的传递（图2）。这增加了发生热失控的风险，并可能释放可燃气体，最终引发火灾。
此外，电池组或模块级别的监控可能会掩盖单个电池中出现的问题，影响SoH信息的质量，使重用复杂化。


图2：典型电动汽车电池组的单个电池温度可能不同

尽管最近的BMS架构引入了无线设计，但这些引入了新的挑战，包括射频干扰和潜在的安全风险。相反，非接触式架构，如Dukosi的电池监测系统（图3），解决了上述大部分问题，并通过直接监测单个电池单元来提高电池的安全性和性能。
Dukosi方法通过集成在每个电池上的电池监测器直接监测电压和温度。从电池监测器捕获的数据被传输到与BMS主处理器（主机）连接的Dukosi系统集线器。System Hub管理双向通信网络，该网络使用其专有的C-SynQ通信协议连接Cell Monitor系统。这种创新的架构减少了电动汽车电池的接线和组件数量，使BoM减少了10倍，从而使电池的复杂性大大降低，更容易生产和维护。


图3: Dukosi解决方案通过集成在每个电池上的芯片直接监测电压和温度

优势

Dukosi电池监测系统通过多种方式增强了BMS的能力：

• 通过在每个电池上放置温度传感器，电池安全性得到了显著提高，因为任何超过预定义温度阈值的电池都可以被迅速识别出来，从而消除了等待热量在相邻电池之间传播的需要。
• Dukosi解决方案使用近场通信，通过简单的单总线天线在蜂窝监视器芯片和系统集线器之间安全可靠地传输数据。近场通信与Dukosi C-SynQ专有通信协议相结合，即使在具有挑战性的射频环境中也能保证同步和确定性的数据传输，是可靠SoC和SoH计算的重要资产。
• 通过将蜂窝网络限制为仅识别已知蜂窝，并将无线信号的传播限制在几厘米内，近场通信简单而安全，消除了远场无线电池系统可能固有的典型安全风险。
• 通过有效地消除对传统电池模块的需求，Dukosi电池监测解决方案实现了灵活的电池设计，更有效地利用了空间和资源，快速且经济高效地适应不同的车辆平台和市场需求，而无需重新验证。
• Dukosi技术显著影响了总拥有成本（TCO），特别是对于购买和销售能源的行业，如电网规模的公用事业公司。单芯片技术减少了组件数量，降低了电池的BoM，从而降低了制造和设计成本。有了更准确的电池读数，SoC计算也更准确，这可能会释放更多能量供每个电池使用；将多个电池的收益复合在一起可以提供更好的盈利能力，或者在固定尺寸的安装中，可以使用更小或更少的电池，从而降低初始成本。
• 一旦电池组达到其第一寿命的终点，电池级来源信息使单个电池能够在运输前从电池组中取出并准确评估，从而提高安全性并可能降低保险成本。电池化学和制造信息也意味着回收过程可以更安全、更优化，以便在材料最终达到使用寿命时回收更多材料。此外，电池的寿命数据存储在每个电池监测器芯片上，而不是仅存储在BMS的电池级别，确保电池从电池组中取出时不会丢失状态。

结论

电池安全性、性能和寿命是选择电动汽车的关键考虑因素，市场上的一些误解阻碍了电动汽车的采用。然而，与早期型号相比，现代电池得到了极大的改进，早期型号在这些担忧背后遭受了广泛宣传的事件。电池管理系统是电池性能的关键，电池系统架构和技术的创新，如Dukosi的电池监测系统，推动了全面的改进。
对每个单独电池的准确监测可确保电池的安全运行，同时最大限度地延长其寿命和性能。集成电池级监测的电池组更简单、更容易制造，更容易适应不同的车辆平台。此外，电池级监测和存储的来源信息有助于更安全的运输和降低处理成本，通过更有效地创建、使用、再利用和回收电池材料有助于降低TCO，并有助于创建循环电池价值链。
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