Недавно компания NXP Semiconductors успешно разработала и выпустила первый в отрасли чипсет системы управления батареями (BMS) на основе аппаратного синхронизирующего механизма для электрохимической импедансной спектроскопии (EIS), что обещает стать знаковым технологическим прорывом для индустрии новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии к 2025 году.

Скачкообразный переход от традиционного мониторинга к точной диагностике

Долгое время традиционные BMS в основном полагались на внешние датчики, такие как температуры и напряжения, для контроля состояния батарей. Такой метод мониторинга имеет задержку в несколько минут при восприятии динамических изменений внутри аккумуляторных элементов, что затрудняет раннее предупреждение о рисках теплового разгона. Технология EIS от NXP, передавая управляемые электрические возбуждающие сигналы для мониторинга всего аккумуляторного блока, успешно превращает лабораторные возможности диагностики элементов в практическое применение. Это эффективно преодолевает вышеупомянутые технические узкие места и предоставляет новый технологический путь для решения ключевых отраслевых проблем, таких как тепловой разгон батарей, безопасность быстрой зарядки и деградация срока службы.

Ключевая задача внедрения технологии EIS заключается в обеспечении точного временного согласования между возбуждающим сигналом и сигналом сбора. Только достигнув этой цели, можно точно вычислить фазовый сдвиг импеданса элемента, тем самым определив его внутреннее состояние. Чжу Юпин, директор по маркетингу электрификации NXP Semiconductors в Большом Китае, объяснил, что NXP создала надежную архитектуру «железного треугольника», используя датчик элемента BMA7418, коммуникационный шлюз BMA6402 и контроллер распределительной коробки батареи BMA8420, успешно достигнув первой в отрасли аппаратной синхронизации наносекундного уровня с точностью 150 наносекунд. Это знаменует собой скачкообразное развитие от «запаздывающего мониторинга» к «точной диагностике».

По сравнению с техническими решениями некоторых конкурентов, требующими дополнительных модулей возбуждения, NXP полностью учитывает отраслевые затраты на применение и использует конструкцию с совместимыми по выводам корпусами. Существующие системы BMS只需要 заменить оригинальный чип (например, чип 7118) на BMA7418 и соответствующим образом обновить программное обеспечение микроконтроллера, чтобы включить функцию EIS, без необходимости перепроектировать аппаратную архитектуру. Кроме того, эта технология умело использует существующий контроллер предварительной зарядки и конденсаторы шины постоянного тока в аккумуляторном блоке для генерации возбуждающих сигналов, избегая дополнительных аппаратных вложений и значительно снижая барьер для внедрения технологии.

Путем инжекции в элементы управляемых электрических сигналов с частотным диапазоном от 0,1 Гц до 1 кГц система EIS может получать данные реакции элементов в разных частотных диапазонах: высокочастотный диапазон отражает импедансные характеристики электрохимического раствора, среднечастотный — импеданс переноса заряда, а низкочастотный коррелирует с состоянием диффузии ионов лития.

Импеданс тесно связан с электрохимическим поведением батареи

Эта технология позволяет в реальном времени отслеживать внутреннюю температуру элементов без использования встроенных температурных датчиков, освобождаясь от зависимости от внешних датчиков в традиционных решениях. В то же время она может на ранней стадии выявлять риск литиевого осаждения, снижая возможность коротких замыканий в самом источнике, тем самым добавляя критическую линию защиты для безопасности батарей. В оценке состояния здоровья батареи (State of Health, SoH) точность технологии EIS значительно превосходит традиционные системы BMS. По сравнению с традиционными методами оценки состояния здоровья батареи, ее результаты оценки ближе к фактической деградации батареи, эффективно повышая надежность управления батареей.

Дифференцированные решения для повсеместного применения

В настоящее время технология EIS от NXP находится на стадии подтверждения концепции (Proof of Concept, POC) с несколькими автопроизводителями. Согласно дорожной карте, ожидается, что эта технология достигнет коммерческого применения в начале 2026 года, а к 2030 году, как прогнозируется, станет стандартной отраслевой конфигурацией, демонстрируя значительную технологическую адаптируемость в различных сценариях применения.

В области новых энергетических пассажирских автомобилей технология EIS эффективно разрешает отраслевое противоречие между «эффективностью быстрой зарядки и безопасностью», а также «сроком службы батареи и пользовательским опытом». В сценариях быстрой зарядки система может динамически регулировать ток зарядки на основе текущего состояния элементов, обеспечивая эффективное восполнение энергии при сохранении безопасности. В то же время, точно отслеживая процесс деградации элементов, она предоставляет надежные данные для вторичного использования батарей, помогая максимизировать ценность батареи на протяжении всего жизненного цикла. В настоящее время некоторые автопроизводители запланировали досрочное внедрение этой технологии. Согласно отраслевым планам, массовое производство и применение будут постепенно достигнуты в 2026 году, ускоряя ее проникновение на рынок пассажирских автомобилей.

В сценариях хранения энергии, особенно в крупномасштабных проектах на стороне генерации, требования к управлению батареями существенно отличаются от требований для пассажирских автомобилей. Аккумуляторы для хранения энергии должны работать непрерывно и стабильно в статической среде в течение 15-25 лет, и любой единичный сбой может привести к масштабным отключениям электроэнергии. NXP оптимизировала техническое решение EIS для этого сценария, используя существующее оборудование в системе хранения энергии для генерации подходящих возбуждающих сигналов, удовлетворяя потребности мониторинга крупноемких элементов. Это обеспечивает техническую поддержку для долгосрочной безопасной работы аккумуляторов хранения энергии. В настоящее время эта технология привлекла внимание отрасли и, как ожидается, будет включена в планы исследований и разработок систем хранения энергии следующего поколения, помогая снизить риски отказов и оптимизировать экономическую эффективность эксплуатации.

В областях применения коммерческих транспортных средств и робототехники технология EIS также демонстрирует практическую ценность. В сценариях коммерческих транспортных средств система может в реальном времени корректировать ток разряда в зависимости от условий эксплуатации, уменьшая потери элементов при высоких нагрузках. В сценариях робототехники, точно оценивая состояние здоровья батареи, можно избежать ненужных замен батарей, помогая контролировать эксплуатационные расходы и затраты на обслуживание. В настоящее время NXP начала техническое сотрудничество с несколькими производителями роботов для продвижения внедрения этой технологии в области робототехники, ускоряя ее принятие в конкретных сценариях.

Переформатирование конкурентного ландшафта управления батареями

Появление технологии EIS от NXP переформатирует конкурентный ландшафт индустрии управления батареями с трех измерений: оптимизация затрат, управление безопасностью и кооперация в цепочке поставок.

Традиционные системы BMS обычно требуют установки нескольких типов датчиков внутри аккумуляторного блока для обеспечения безопасности, что приводит к относительно высоким общим затратам. Технология EIS достигает многомерного мониторинга с помощью передовых программных алгоритмов, уменьшая количество внешних датчиков и эффективно оптимизируя структуру затрат. Что еще более важно, технология EIS смещает фокус конкуренции в управлении батареями с аппаратной конфигурации на программные алгоритмы и возможности моделирования данных. Поддерживающее программное обеспечение платформы S32K358 от NXP позволяет заказчикам настраивать параметры мониторинга в соответствии с их потребностями, значительно снижая технический порог входа в отрасль и создавая условия для участия большего числа компаний в инновациях технологий управления батареями.

На уровне управления безопасностью технология EIS достигает критического перехода от «реагирования на инциденты» к «предварительному предупреждению» в управлении безопасностью батарей. В соответствующих тестовых сценариях система EIS может выдавать ранние предупреждения при появлении начальных аномалий в элементах (например, на начальных стадиях литиевого осаждения). По сравнению с традиционными системами BMS, которые срабатывают только при более явных проблемах с элементами, это оставляет достаточно времени для экстренного реагирования, значительно повышая проактивность защиты безопасности батареи.

В прошлом существовал четкий информационный барьер между производителями ячеек и производителями транспортных средств. Производители ячеек обладают заводскими параметрами ячеек, но имеют трудности с доступом к данным о состоянии в реальном использовании. Производители транспортных средств имеют данные об использовании батарей, но им не хватает оригинальных моделей конструкции ячеек, что затрудняет точное управление батареей и влияет на общую производительность и безопасность.

Появление технологии EIS эффективно разрушает этот информационный барьер между двумя сторонами. Взяв пример сотрудничества в отрасли, компании-производители ячеек и технологические партнеры включают данные мониторинга EIS в систему обратной связи по качеству ячеек. Анализируя фактические эксплуатационные данные с разных моделей транспортных средств, они могут обратно оптимизировать конструкцию ячеек и производственные процессы, дополнительно улучшая циклический срок службы ячеек. Это способствует переходу отрасли от точечных технологических инноваций к системным интеграционным инновациям, ускоряя формирование новой парадигмы совместного развития по всей цепочке производства.