琻捷电子：为电动汽车动力电池保驾护航的国产电池包传感监测芯片

（文/程文智）在8月5日第十二届松山湖中国IC创新高峰论坛，面向“智慧出行”的创新IC新品推介会上，琻捷电子科技有限公司带来了其BPS电池包压力检测传感芯片相关应用及介绍。琻捷电子首颗国产电池包压力检测芯片，通过监测新能源汽车电池包压力变化，提前发出预警信息，避免电池包起火造成的生命和财产损失。
 
近年来，国内新能源汽车市场异常火爆，去年全国新能源汽车销量达到了创纪录的350万辆，今年上半年就已经超过了260万辆，预计今年能超过550万辆。在新能源汽车销量火爆的情况下，新能源汽车的安全性，特别是锂电池的安全性越来越受到人们的关注。
 
面对电动汽车自燃事件频发，储能电站火灾事故也时有发生的状况，在2020年5月12日，国家出台一个强制标准，即《电动汽车车用蓄电池的安全要求》，其中提到电池包发生热失控，比如说自燃、着火，必须提前5分钟报警。该标准已经自2021年1月1日起正式实施。

图：琻捷电子总经理李梦雄

 
在琻捷电子总经理李梦雄看来，目前这个强制标准电池Pack厂和车厂都没有很好的解决方案，只能靠芯片来解决。
 
那么芯片如何解决这个报警问题呢？这就需要从电池包的结构说起。动力锂电池，生产所需要的材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜及包装材料等。电池包主要包含电池模组、盖板、防护层、散热系统和电池托盘等。

图：电池包结构

 
由于锂离子电池结构的特性，如果发生热失控的话，随着温度的上升，最早是隔膜分解，随后电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。
 
隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的产生，这种累积的互相增强的破坏作用，后果就是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火，甚至爆炸。

图：电池包热失控原理

 
李梦雄指出，有三种情况会导致热失控问题的发生，分别是：机械滥用（包括挤压、针刺和碰撞等）、电滥用（内部短路、过放电和过充等）和热滥用（过热等）；三种滥用形式可能导致热失控的共同环节：内部短路，最终由于电极活性物质之间的相互作用而导致热失控。当电池失控时，其他可燃气体产品和电解液蒸汽和阳极产生的氧气在高温下与空气混合，当电池失控形成火灾三角形，即燃烧或爆炸。
 
从这原理来讲，防护措施有两种，即主动防护设计和被动防护设计。
 
其中主动防护设计包括：
•电滥用预防：电池管理系统（BMS）实时监控每一颗电芯状态，并给出最合理的充放电策略；
•机械滥用防护：电池包的结构安全设计保证在经受高速碰撞、 挤压，甚至穿刺后依然能够保持结构安全强度；
•热滥用防护：结合整车的系统需求通过电池包的热管理优化设计确保电池电芯在合理温度范围内；
•热失控预警：一旦发生热失控为客户及时提供报警 以便尽快撤离。
 
被动防护设计包括：
•电芯层面：通过添加剂降低电芯材料热失控释放能量；
•系统结构层面：使用高强度的材料，尤其是高温下拥有很高的耐冲击强度的材料作为防护措施；
•热阻隔：识别蔓延中的主要热量传导路径，再通过热设计阻隔不合理的传热路径，引导强化合理的热传递路径。
 
在李梦雄看来，热失控情况下，电池包内部会发生多种化学反应，引起压力异常，温度上升、气溶胶释放等，最终可能导致电池包起火，甚至爆炸。因此，琻捷电子推出了BPS模组和BAS模组产品，为新能源汽车的电池系统保驾护航。
 
其中，BPS模组基于微机械压力（MEMS Pressure）和专用集成电路（ASIC）技术，实现了对环境压力的精确检测。
 
BAS模组基于光学烟雾检测和专用集成电路（ASIC）技术，实现了对环境气溶胶浓度的精确检测。

图：琻捷电子的电池包热失控监测产品

 
BPS模组主要用于监测三元锂电池。因为三元锂电池热失控过程中，正极材料会释放氧气，氧气与溶剂发生氧化反应产生大量气体和热量。短时间内电池包压力和温度快速上升，可通过高精度压力和温度模块对热失控进行监控，提前报警。

BAS传感监测方案主要针对磷酸铁锂电池，因为磷酸铁锂的橄榄石结构带来的是高温稳定性。在热失控的化学反应中发生分解反应而非氧化反应，产气少且慢，相对安全。在热失控后期随着电解液的喷出，电池包内气溶胶浓度会快速提高，可以通过气溶胶浓度监测模块进行热失控监控，提前报警。

李梦雄认为，琻捷电子的核心优势是成本低、体积小、PCB集成度高；集成了温度传感器、压力传感器以及供电电压监测单元；低功耗，支持休眠、唤醒模式；丰富的功能定义，支持多区间报警，支持多种报警策略；针对不同场景，可以设置多种工作模式等。

图：琻捷电子的汽车传感芯片产品和基于琻捷电子技术的传感器模组

 
前面提到的几个产品都是模组产品，其实这些模组产品是基于琻捷电子的汽车传感器芯片的，比如其TPMS/BLE芯片SNP70X/73X/74X等；BPS芯片SNP80X；USI芯片SNU501；无线传输芯片SNJ30X等。
 
据了解，琻捷电子的电池包传感监测芯片，包括BPS和BAS芯片，针对新能源汽车电池包热失控管理，提供了更快速可靠的热失控监测管理措施，相应的芯片和解决方案已经在宁德时代等品牌客户量产出货。