下一代电池管理：阻抗数据与主动均衡技术解析

随着电动汽车、机器人、无人机和飞行器的普及，电池的重要性日益凸显。消费者对安全性和续航里程的关注不断提升，推动制造商考虑从镍基锂离子电池转向磷酸铁锂（LFP）电池。LFP电池不仅成本更低、寿命更长，相关矿产资源的获取也更为便利。

随着电池化学技术的进步，电池管理系统（BMS）的技术也在同步演进。现代BMS电子系统正在引入电化学阻抗谱（EIS）、数字孪生和嵌入式AI技术，以实现更深入的阻抗分析，从而更准确地预测电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）。

从查表到AI驱动

过去，许多BMS算法依赖查找表（LUT）运行。"这种方式效果不错，但存在一定局限性，"西门子EDA电池行业全球负责人Puneet Sinha表示，"我们现在看到了摆脱基于LUT的僵化系统的可能性。客户在问：'能否以更在线的方式进行阻抗和电化学阻抗测量？能否实现更高级的诊断？'要做到这些，需要正确的算法，这些算法需要在BMS板上或云端运行，并与BMS进行交互。目前已有在BMS上运行AI模型的讨论，使其不再依赖查找表，而是在设备上运行可执行的数字孪生，从而对某些参数给出更好、更准确的估算。"

搭载AI能力的芯片（通常是MCU）可以在BMS上运行神经网络模型进行诊断。"这不仅能提高状态估算的准确性，还能增强预测能力，尤其是对于电动汽车，"Sinha说，"'某些问题即将发生，能否提前送修或保修？'这一直是行业期望实现的目标，但过去受到AI能力不足等诸多限制。"

LFP电池的特殊挑战

准确估算荷电状态和健康状态对LFP电池尤为关键，因为其单体电压呈现相对平坦的荷电曲线，导致可用能量的计算非常困难。"LFP电芯的电压非常平坦，即使是极小的误差也可能随时间累积，造成5%至10%的能量损失，"Sinha说，"企业正在寻求投资新型先进诊断方法来解决这一问题，EIS就是途径之一。"

Synopsys首席咨询工程师Masoud Rostami-Angas指出："该领域正从缓慢的实验室阻抗测量，向能与现有被动和主动电池均衡及BMS技术协同工作的快速嵌入式测量迈进。全频谱EIS仍是最精确的阻抗测量方法，但根据频率范围不同，测试时间可能需要15分钟至2小时。"

他还提到了其他实用的高保真替代方案，包括定向频率扫描、多正弦激励、伪随机二进制序列/宽带扰动，以及高分辨率电流中断方法。这些方法能够在正常充放电循环中以可接受的精度、更快速地估算阻抗。

Synopsys首席工程师Bryan Kelly强调，准确测量电池单体阻抗对于评估电池组当前健康状态、预测剩余使用寿命（RUL）及降低保修成本至关重要。"单次阻抗测量并不能可靠反映电池健康状态，真正有意义的是阻抗的变化量，它与电池内部体电阻的变化相关联，能揭示电池组整体SOH的重要信息。"

True Balancing联合创始人Clint O'Conner将阻抗测量比作给电池每颗电芯做心电图。他解释道，阻抗是电阻的多维扩展，EIS通常在1千赫到低于1赫兹的多个频率下获取阻抗数据。"每个电池制造商的梦想就是能实时获取来自现场的阻抗数据。"

然而，将阻抗测量成本降低到可嵌入电动汽车的水平仍面临挑战。"产生精确正弦波的成本较高，这是主要难点之一，"O'Conner说。

BMS建模、验证与仿真

数字孪生在BMS优化中扮演着越来越重要的角色。西门子的Sinha表示，许多企业正在采用基于模型的系统工程，数字孪生是优化各组件协同工作的核心手段。

Synopsys的Kelly指出，实物测试台评估面临诸多挑战，许多关键场景无法在测试台上穷尽验证。"只有通过高精度的虚拟原型，才能全面探索BMS的各项特性。底层模型的精度和仿真器的鲁棒性至关重要。"

O'Conner补充道："如果能为每颗电芯提供阻抗数据，将大幅提升所有模型的精度，同时降低运算量。这正是阻抗数据被视为'圣杯'的原因之一。"

电池均衡技术

BMS通常使用低成本MOSFET执行被动均衡，但主动均衡正在逐渐崛起。Infineon Technologies应用工程总监Jim Pawloski表示，BMS在充电阶段非常活跃，持续监控电芯电压和温度，并进行均衡以确保电芯正常充电。

O'Conner解释了串联电芯均衡的必要性：电动汽车电池可能有100至400颗电芯串联，且数量还在增加。如果不进行均衡，当最先充满的电芯达到满电时就必须停止充电，其余电芯则无法充满；放电时，当最弱的电芯率先耗尽时也必须停止，其他电芯中的剩余能量无法被利用。

被动均衡通过消耗多余能量将所有电芯拉平至最低水平，而主动均衡则将能量在电芯间转移，保留电池中的能量，效率更高但成本也更高。随着LFP电池在大型储能系统和商用车辆中的广泛应用，对低成本、高效主动均衡技术的需求日益迫切。

可靠性、安全性与信息安全

硬件和软件的创新有助于提升状态估算和预测精度，进而改善整体可靠性。西门子的Sinha表示，这对电动汽车和电池储能系统（ESS）均具有重要价值，尤其是需要在野外运行20年的公用事业级或AI数据中心储能系统。

Rambus芯片产品营销高级总监Piero Bianco指出，在数据中心，即使短暂断电也可能中断持续数天乃至数周的大规模AI训练任务。不间断电源（UPS）是保护数据完整性的第一道防线。

在电池安全方面，Synopsys产品管理高级总监Dana Neustadter建议，应通过硬件级安全机制以加密方式强制执行生命周期限制检查，并结合传感器监控温度和热状态，同时利用签名验证确保服务工具的合法性。"解决方案必须向硬件层面迁移，不能仅依赖软件控制，必须以硬件驱动的访问控制为核心。"

未来展望

有效的电池管理与均衡正日益成为重要的商业驱动力，BMS正从嵌入式查找表演进为软件定义电池。Synaptics物联网与边缘AI处理器业务副总裁John Weil以笔记本电脑为喻："你永远不会得到24小时的续航，但功能会不断增强。"

在当今软件定义和自动驾驶车辆中，GPU或XPU的AI处理带来了越来越多的信息娱乐和辅助驾驶功能，但如果芯片优化不足，可能会影响电池续航。Imagination Technologies产品管理高级总监Rob Fisher强调，功耗是关键指标，性能密度和性能功耗比对于大规模计算至关重要。

Q&A

Q1：电化学阻抗谱（EIS）在电池管理中有什么作用？

A：EIS通过在多个频率下测量电池阻抗，能够提供比传统内阻测试更全面的电池状态信息。它可以帮助准确评估电池健康状态、预测剩余使用寿命，并对热失控等潜在故障提供早期预警。对于电压曲线平坦的LFP电池而言，EIS尤为重要，能有效弥补单纯依靠电压估算荷电状态的不足。

Q2：主动均衡和被动均衡有什么区别？

A：被动均衡通过低成本MOSFET将多余能量以热量形式耗散，将所有电芯拉至最低水平，方法简单、成本低，但会浪费能量。主动均衡则将能量从电量高的电芯转移到电量低的电芯，保留了电池中的大部分能量，效率更高，但电路更复杂、成本更高。随着LFP电池在储能和商用车辆中的广泛应用，低成本主动均衡技术的需求正在快速增长。

Q3：数字孪生如何提升电池管理系统的性能？

A：数字孪生通过建立与真实电池行为高度吻合的数学模型，实现对电池状态的精准模拟和预测。将实时采集的电池数据输入数字孪生模型，可以更准确地评估电池健康状态。如果还能为每颗电芯提供阻抗数据，将进一步大幅提升模型精度，同时降低所需的计算量，为BMS的优化提供更可靠的依据。