汽车、机器人需求推动，PMIC复杂度再升级

电源管理是所有电池供电设备的关键问题，无论是为了延长电动汽车的续航里程、提升机器人的工作能力，还是延长消费电子产品的续航时间。电池管理技术已经相当成熟，但人们仍在不断创新，以优化系统并进一步提高效率。

电池系统包含复杂的芯片和系统阵列，用于优化电流和功率在三个关键阶段的流动：将电网中的电力输送到电池；使用电池管理系统（BMS）来监测充电情况、电池健康状况和剩余使用寿命，从电池中获取电能，供车辆、机器人或其他设备使用。

对于电动汽车和人形机器人等边缘设备而言，电池的充电和放电过程类似。“机器人面临着完全相同的挑战，”英飞凌科技应用工程总监Jim Pawloski表示。“机器人的总线电压——也就是为所有电机、执行器等供电的电压——将是48伏，因为48伏被认为是低电压，或者说是安全电压。任何高于60伏的电压都被认为是高电压。但机器人仍然需要电池组，可以是锂离子电池或其他化学成分的电池。电池管理系统（BMS）会监控电池组的健康状况、电量和温度，而且它们都使用相同的微控制器（MCU）。”

为电池充电是整个电气化过程中至关重要的环节。其中，充电时间是一项关键指标。

西门子EDA高级总监兼全球电池行业负责人Puneet Sinha表示：“目前，对于很多公司来说，电动汽车最快的充电速度是15分钟内从0%充到80%。如果需要提高充电速度或增强充电可靠性，尤其是在极端天气条件下，关键在于电池设计——使用什么样的材料和电芯设计才能承受如此大的充电量，同时也要确保所有充电相关的电子元件都合适，能够提供足够的充电功率。”

在电动汽车中，车载充电器（OBC）模块从电网获取交流电，并将其转换为足够高的直流电，从而将电流强制注入电池。“它强制将电子注入电池，这与电池正常放电时向负载提供电子的方式截然不同，”帕夫洛斯基解释说。“你需要非常高效地完成这个过程，效率要达到98%左右。”

散热是另一个挑战，就像电力电子领域一样。“交流电转直流电的转换方式是快速切换半导体器件，有些情况下频率高达数百千赫兹，”帕夫洛斯基说道。“晶体管开关并非完美开关，每次开关操作都会产生热量。如果每秒进行数十万次这样的操作，你可以想象会散发出多少热量。我们称之为开关损耗。”

基于氮化镓和碳化硅的功率器件最大限度地降低了开关损耗。“比如，从0伏到400伏的切换时间越短，损耗就越小，”帕夫洛斯基说。“如果从0伏到400伏的过渡缓慢，就会散发出更多的热量。”

因此，充电器电子元件的设计至关重要。“这就是为什么我们看到越来越多基于碳化硅的逆变器得到创新和应用，”辛哈说。“我们正在研究如何冷却电缆，因为它们可能会成为过热点。”

车载充电器用途广泛。“你可以从墙上接120伏的电源，它能识别出来。它可以将电压升压到电池所需的直流电压，”帕夫洛斯基说。“你也可以把它连接到二级充电器上，二级充电器在美国使用240伏电压，而二级充电器可以放在车库里，因为家庭的输入电压通常是240伏交流电。”

另一种给电池充电的方法是直流快速充电，例如特斯拉超级充电桩，它可以在极短的时间内为电池注入大量能量。但这种方法比传统充电方式对电池的损耗更大。

“车载充电器不再像传统充电方式那样将交流电转换为直流电，而是直接从超级充电桩获取直流电，”帕夫洛斯基说道。“当你把超级充电桩插上时，根据车型不同，它会使用这个大型连接器上的不同触点，直接向电池提供直流电流。由于功率巨大，高达750千瓦，所以电流非常大。这足以满足一个小型住宅区的用电需求，具体用电量取决于一天中的不同时段。之所以能实现如此强大的功率，是因为这条电缆里有一根巨大的电源线，里面有冷却液循环，用来控制铜导体散发的热量。此外，车辆电池本身也有一套内部冷却系统，用于降低电池温度。”

正是这些因素，以及合适的电池化学成分，使得九分钟快速充电成为可能。然而，快速充电会加速电池老化，缩短电池寿命。

Synopsys首席工程师Bryan Kelly指出：“电池老化是一个复杂的电化学过程，主要分为两种机制——日历老化和循环老化。循环老化取决于电池在使用过程中承受的压力。频繁的快速充电、高放电倍率、深度放电循环以及在极端温度下运行都会加速电池衰减，并导致电池性能随时间推移而更明显地下降。”

随着电池技术和充电方式的不断发展，配套的电子元件和系统在确保高效安全的电力输送方面发挥着越来越重要的作用。了解这些组件之间的相互作用对于优化电池性能和延长电池寿命至关重要。

用于向电池供电的芯片包括功率开关、栅极驱动器和微控制器。

功率开关由栅极驱动器控制。“栅极驱动器直接向功率器件提供信号，使其开启和关闭，”Pawloski 说道。“高压侧和低压侧之间需要电气隔离。所有控制都在低电压下完成，使用微控制器。微控制器的核心运行电压为 1.2 伏，甚至可能是 800 毫伏。栅极驱动器允许您以逻辑电平（3.3 伏或 5 伏）从微控制器提供控制信号。然后，通过电气隔离屏障，这些信号可以传递到高压侧，并生成实际发送到功率器件的栅极信号。”

微控制器运行一个算法，用于控制和切换功率器件。“它负责触发电压，因此它知道如何切换电压以升高或降低电压，”帕夫洛斯基说道。“它还执行多项安全功能——监控温度和输入电压，以符合ISO 26262 标准。车载充电器必须满足ASIL-D安全等级的特定要求，这是最高等级的要求。微控制器和栅极驱动器必须达到此安全等级，才能检测任何可能导致危险的故障情况，从而避免人员受伤或死亡。”

除了充电器和电池技术方面的考量之外，研究能量输送到电池之后的情况也至关重要。电池健康状况和性能的管理和监控变得尤为关键，尤其是在新的充电策略和架构不断涌现的情况下。

电池更换技术在工业应用领域正日益普及，例如电动长途卡车车队、最后一公里配送车辆以及工厂机器人。“这项技术之前在私家车领域也尝试过，但商业上并不成功，”辛哈说道。“现在，市场规模和商业需求都已足够。电池更换技术对电池组的整体架构以及互连方式都提出了更高的要求，以便能够轻松拆卸旧电池并正确安装新电池。”

Sinha指出，更换电池可以让用户快速获得新电池，而旧电池或耗尽的电池可以隔夜充电，而不是等待充电。

电池管理系统 (BMS) 负责电池更换，它是电池系统的核心。“在车队应用中，你需要一个能源管理系统 (EMS) 来监控所有电池，”辛哈解释道。“无论是人形机器人车队还是卡车车队，公司都需要了解车队的运营情况。我们需要知道每个系统的剩余电量。他们需要提取这些数据，才能确定应该更换哪个电池，以及哪些系统可以继续运行。这涉及到大量的遥测数据，以及一个包含 BMS 所传输所有数据的数据库。然后，还有一个仪表盘，可以实时查看车队的运行状况。”

电池管理系统一旦电池中充满电，电池管理系统 (BMS) 就会对其进行监控和平衡。

图 1：汽车电池管理系统 (BMS)。来源：英飞凌

Synopsys公司的凯利表示：“‘电池’一词经常被随意使用，它可以指代非常不同的东西——单个电芯、一个模块，或者由多个电芯组成的整个电池组。只有在电池组层面，电池管理系统（BMS）的功能和电芯间均衡才变得重要。”

硬件设计工程师必须评估电池组的当前健康状态 (SOH) 与其使用寿命终止 (EOL) 之间的关系。“这项信息至关重要，”凯利说道，“它有助于进行准确的质量评估，预测剩余使用寿命 (RUL)，并有助于降低昂贵的保修相关成本。”

对于任何能量产生元件阵列——从太阳能电池阵列到电池组——其性能都取决于其中最薄弱的环节。“电池管理系统（BMS）会主动监测每个电芯的电压、电流和温度，并估算其荷电状态（SOH），还能估算剩余荷电状态，”凯利说道。“在电动汽车发展的早期阶段，这将是一项艰巨的任务，因为当时整个电池组可能包含多达7000个电芯。但如今，随着电池生产技术的进步，现在生产的电芯可以采用大尺寸规格，从而大幅减少电池组中的电芯数量。”

如果电池是新的，其荷电状态 (SOC) 可以估算得相当准确。“但随着电池老化，并非所有电芯的性能衰减都相同，”True Balancing 的联合创始人 Clint O'Conner 表示。“它们的容量开始出现差异。有些电芯容量稍大一些，有些则稍小一些。它们的自放电率也略有不同。内部阻抗也会有所变化，最终导致每个电芯的能量和荷电状态略有差异。”

图 2：汽车电流检测和库仑计数。来源：英飞凌

电池管理系统 (BMS) 指的是管理电池的整个电子系统，该系统可以根据电池化学成分、系统规模、使用环境、使用模式和挑战进行定制。BMS 最基本的功能是防止电池过度充电或过度放电，使其偏离制造商的建议范围。“如果过度充电（电压过高）或过度放电（电压过低），就相当于试图让电流通过电阻，”奥康纳指出，“这会产生热量，从而导致电池性能下降。”

电池管理系统（BMS）还能防止过流情况。“即使电池处于良好的中等充电状态，如果你试图以过高的速度注入或释放电流，也会加速电池损坏，”他说道。

将电池中的电能输送到车辆：电池充电后，这些能量用于驱动车辆或机器人运动，以及执行其他功能。因此，车辆面临的一项关键挑战是整体能量管理。

西门子辛哈表示：“你可以看看两款电动汽车，比如特斯拉Model S和奥迪e，它们的尺寸相近，电池容量也差不多，但续航里程却截然不同。关键不在于电池的容量，而在于如何有效地利用这些能量来驱动车辆。这最终取决于电池管理系统（BMS）、逆变器和电机，以及它们的集成度和所采用的技术。车厢内也需要消耗能量，用于车厢制冷和其他辅助用电，这会导致相当一部分能量损失。因此，如何管理从电池到车轮以及其他所有需要满足的负载的能量分配，是系统工程面临的一大挑战。”

同样，电动汽车或人形机器人的节能也取决于组件的集成方式以及系统的整体优化。“我们看到了各种各样的策略，”辛哈说。“许多公司都在研究如何在车辆中安装逆变器和转换器，它们与电机的匹配程度如何，甚至在逆变器层面，他们使用了哪些技术。”

电池的主要负载是牵引逆变器，它从电池获取直流电，并产生可变频率的交流波形。“这就是电机运转的方式，”英飞凌的帕夫洛斯基说道。

多级转换器可以提高效率。“与其直接从0伏升到电池电压，不如分阶段升压，”帕夫洛斯基说道。“有很多方法可以实现这一点，其中一种方法是将电池分成几个小模块。与其使用400伏的电池组，不如使用几个20伏的模块，这样就可以通过将这些模块串联起来，在不同的时间间隔内产生正弦波。电压从20伏升到40伏，再到60伏，再到80伏，一直升到所需的峰值电压，然后再降压。之后，可以使用电源开关翻转电池极性，然后反向降压。”

对于汽车应用而言，采用六核架构的ASIL-D级MCU可以让每个核心都拥有一个独立的检测核心。“你同时在两个不同的核心上运行相同的软件，如果这两个核心的输出有任何差异，就会被检测到并标记出来，”Pawloski解释道。“MCU中的算法控制着这些电源开关的行为，以满足你的需求。它会检测来自驱动器的扭矩请求，然后将该扭矩请求写入输出，为MCU供电。”

电源管理集成电路 (PMIC)在电池供电边缘设备中扮演着重要角色。它们负责将电池的电力输送到其他组件，监控电源时序、充电过程，并监测电压或电流水平以确保安全。无论是电动汽车，还是人形机器人或小型边缘设备，PMIC 都同样不可或缺。

Synaptics公司的Dave Garrett表示：“电源管理集成电路（PMIC）是低功耗解决方案中不可或缺的一部分。它至关重要，因为低功耗方案中一个常被忽视的关键点是，很多情况下都需要从电池供电。例如，锂离子电池的电压有时会在4伏到3.2伏之间波动。这种电压波动幅度非常大，而且供电也不稳定。PMIC的任务就是：‘我有一个0.7伏的核心，如何将3.8伏到3.2伏的电压稳定地降到0.7伏？’”

电源管理集成电路 (PMIC) 有时会集成线性压降稳压器 (LDO)。“这是一种糟糕的供电方式，因为它只是从高压电源获取电流，然后将其转换为低压输出，”Garrett 说道。“这种方式成本很低，实现起来也很容易，但电源效率极低。我们采用多路电源轨。我们使用定制设计的 PMIC，并搭配高效的开关电源，能够高效地将电压和电流转换为所需的电压和电流。电源效率至关重要，即使你拥有最好的低功耗数字电路，如果没有一个好的 PMIC，一切都将徒劳无功。效率才是制胜的关键。”

从汽车到数据中心，电源管理集成电路（PMIC）在各个领域都发挥着关键作用。“PMIC需要检查电源供应的方方面面，”英飞凌的帕夫洛斯基说道，“它要检查所有3.3伏、5伏的电源轨，以及车辆网络通信所需的通信电源和各种传感器所需的传感器电源。”

尽管如此，电源管理集成电路 (PMIC) 的应用场景仍在不断演变。“我们看到许多应用领域都面临着严峻的挑战，” Rambus芯片产品营销高级总监 Piero Blanco 表示， “自动驾驶汽车就是其中之一。与数据中心的人工智能类似，自动驾驶汽车的人工智能需要更高的负载电流、更严格的电压调节和负载瞬态响应。此外，自动驾驶汽车的运行环境也十分恶劣，输入（电池）电压变化范围很大，电磁干扰 (EMI) 限制严格，安全要求也很高。另一个新兴领域——物理人工智能——也面临着类似的挑战。”

人工智能的出现加剧了问题的复杂性。“人工智能对所有服务器子系统的电源需求都提出了更高的要求，”Blanco 指出。“例如，在内存子系统中，内存速度的不断提升导致负载电流增大，由于采用了更精细的 DRAM 芯片硅几何结构，需要更精确的电压调节，同时电源管理集成电路 (PMIC) 也面临着更严苛的负载瞬态要求。这挑战了现有控制方案的极限，需要采用全新的设计方案，以实现更快的瞬态响应速度，并在所有负载电流下最大限度地提高效率。与此同时，内存解决方案需要采用更小的尺寸，例如 SOCAMM 模块，这就要求电源解决方案能够与更小的外部组件配合使用，并高效利用电路板空间。”

结论

随着电动汽车的普及、机器人的广泛应用以及无人机和电动飞机的起飞，高效的电池管理变得日益重要。相关技术也在随着应用场景和电池化学成分的变化而不断发展。

如今，电动汽车的续航里程已成为一大卖点，因此所有电池管理系统（BMS）指标都至关重要。“过去，汽车制造商之间的差异体现在机械技术、发动机效率和动力等方面，” Imagination Technologies产品管理高级总监 Rob Fisher 表示，“但现在这些优势已不再那么显著。如今的电动汽车不再依赖发动机，而是依靠电机，因此，电池续航时间和车内体验等因素才是关键所在。”

能源效率也会影响车辆的整体电气架构。“它们的设计方式以及电缆的总长度都很重要，”西门子的辛哈说。“所有这些因素都会影响到它们应该承载的总重量。”