核心要點

• 將電網交流電轉換為系統直流電有多種方式，部分方式會加速電池老化。

• 電池管理系統監測電芯電壓、電流與溫度，輔助估算荷電狀態、健康狀態及剩余使用壽命。

• 搭載多電平轉換器的電源管理芯片（PMIC）是將電池電能輸送至牽引逆變器與電機的最高效方案，因其可逐級調節電壓，而非直接從 0V 跳變至電池電壓。

• 對于所有電池供電設備，電源管理都是核心問題 —— 無論是延長電動汽車續航、機器人工作時長，還是消費類設備的待機時間。電池管理技術已十分成熟，但持續的創新仍在不斷優化系統、挖掘更高能效。

電池系統由一系列復雜芯片與子系統構成，在三個關鍵階段優化電流與電能傳輸：

1. 將電網電能充入電池；

2. 通過電池管理系統（BMS）監測電量、健康狀態與剩余使用壽命；

3. 將電池電能輸出，供車輛、機器人或其他設備使用。

電動汽車與人形機器人等邊緣設備的電池充放電流程基本一致。英飛凌科技應用工程總監吉姆?帕夫洛斯基表示：“機器人面臨完全相同的挑戰。機器人為電機、執行器等部件供電的母線電壓為 48V，因為 48V 屬于安全低壓；高于 60V 則被視為高壓。但機器人同樣需要電池組，可采用鋰離子或其他化學體系電池，也需要一套監測電池組健康狀態、電量與溫度的 BMS 系統，以及相同類型的微控制器（MCU）。” 

電能充入電池

電池充電是整體電動化方案的關鍵環節，其中充電速度是核心指標。

西門子 EDA 電池行業全球高級總監普尼特?辛哈稱：“當前，多家車企的電動汽車最快可在 15 分鐘內將電量從 0 充至 80%。若要進一步提升充電速度或可靠性，尤其是在極端天氣下，既取決于電池設計 —— 采用何種材料與電芯結構以承受大電流充電，也需要充電側電子器件匹配，能夠輸送足夠電量?！?/p>

在電動汽車中，車載充電機（OBC）模塊將電網交流電轉換為高壓直流電，從而將電流充入電池。帕夫洛斯基解釋道：“這是強制將電子注入電池，與電池放電時向負載輸出電子的過程相反。該轉換效率需達到 98% 左右?！?/p>

與其他電力電子設備一樣，發熱也是一大難題?！敖涣麟娹D直流電需要半導體器件以極高頻率開關，部分場景下可達數百千赫茲。晶體管開關每次動作都會因非理想特性產生熱量，我們稱之為開關損耗。每秒數十萬次開關，產生的熱量可想而知?！?/p>

基于氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）的功率器件可大幅降低開關損耗。帕夫洛斯基表示：“開關從 0V 升至 400V 的速度越快，損耗就越??；若切換速度緩慢，會產生大量熱量?！?/p>

因此，充電電子系統的合理設計至關重要。辛哈稱：“這也是基于碳化硅的逆變器不斷創新并普及的原因。我們還需要對電纜進行冷卻，因為電纜容易成為發熱點?！?/p>

車載充電機適用性廣泛。帕夫洛斯基說：“接入 120V 家用插座時，設備可自動識別并升壓至電池所需直流電壓；接入美國 240V 的二級充電樁也可適配，普通住宅就具備該供電條件。”

另一種充電方式是直流快充，如特斯拉超級充電樁，可在極短時間內向電池注入大量電能，但對電池的損耗也大于常規充電。

帕夫洛斯基解釋：“直流快充無需車輛內部的車載充電機進行 AC-DC 轉換，而是直接從超充樁獲取直流電。大功率連接器通過專用觸點向電池直供直流電，功率最高可達 750 千瓦，足以在特定時段為小型社區供電。這一技術得以實現，是因為充電線纜內置大功率導線并配有冷卻液，以疏導銅導體產生的熱量；同時車輛電池也配備內部散熱系統控制溫度?！?/p>

配合適配大電流的電池化學體系，9 分鐘極速充電成為可能。但快充會加速電池老化、縮短壽命。

新思科技首席工程師布萊恩?凱利指出：“電池老化是復雜的電化學過程，主要分為自然老化與循環老化兩類。循環老化取決于電池使用時的受力狀態，頻繁快充、高倍率放電、深度充放電循環及極端溫度工作，都會加速電池衰減，使其性能隨時間快速下降?！?/p>

隨著電池技術與充電方式持續迭代，配套電子器件與系統在保障高效、安全供電方面的作用愈發重要。理解各組件的協同機制，對優化電池性能與壽命至關重要。

用于充電的核心芯片包括功率開關、柵極驅動器與微控制器。

功率開關由柵極驅動器控制。帕夫洛斯基稱：“柵極驅動器直接向功率器件發送開關信號，同時需要實現高壓側與低壓側的電氣隔離。所有控制邏輯均由低壓微控制器執行，其內核工作電壓僅 1.2V 甚至 800mV。柵極驅動器將 MCU 輸出的 3.3V 或 5V 邏輯控制信號，通過電氣隔離屏障傳輸至高壓側，生成驅動功率器件的實際柵極信號。”

微控制器運行算法，實現功率器件的控制與開關?！八ㄟ^調節電壓實現升降壓，同時執行多項安全功能 —— 監測溫度與輸入電壓，滿足 ISO 26262 功能安全標準。車載充電機部分模塊需達到 ASIL?D 最高安全等級，微控制器與柵極驅動器必須滿足該等級要求，以檢測可能引發危險的故障，避免人身傷亡?！?/p>

除充電與電池技術外，電能充入電池后的管理與監測同樣關鍵，尤其是在新型充電策略與架構不斷涌現的背景下。 

電池換電

電池換電模式在工業領域快速普及，如電動長途重卡車隊、末端配送車輛及工廠機器人。辛哈表示：“換電模式曾在私家車領域嘗試，但商業上并未成功。如今規模與商業需求均已成熟。換電模式對電池包整體架構與連接方式提出要求，需實現電池快速拆卸與精準更換。”

換電可讓用戶快速更換全新電池，虧電電池可在夜間慢充，無需現場等待。

電池管理系統（BMS）是換電流程的核心，相當于電池的 “大腦”。辛哈解釋：“車隊場景需要能源管理系統（EMS）統籌所有電池。無論是人形機器人車隊還是卡車車隊，運營方都需要掌握各設備電量，通過 BMS 回傳的海量遙測數據與數據庫，判斷哪些電池需要更換、哪些設備可繼續工作，并通過儀表盤實時監控車隊狀態。”

電池管理系統

電能充入電池后，會由電池管理系統（BMS）進行監測與均衡控制。

圖 1：車用電池管理系統（BMS）資料來源：英飛凌 

新思科技的凱利表示：“‘電池’這一術語常被泛泛使用，盡管它所指的對象差異極大 —— 可以是單個電芯、一個模組，或是由眾多電芯組成的完整電池包。只有在電池包層級，電池管理系統（BMS）的功能與電芯間均衡才有實際意義?！?/p>

硬件設計工程師必須估算電池包相對于使用壽命終點（EOL）的當前健康狀態（SOH）。凱利指出：“這一信息至關重要。它能實現精準的質量評估，支持剩余使用壽命（RUL）預測，并有助于降低高昂的保修相關成本。”

對于任何由發電單元組成的陣列 —— 從太陽能板陣列到電池包 —— 其整體性能僅取決于最薄弱的一環。凱利稱：“電池管理系統會主動監測每節電芯的電壓、電流、溫度，估算荷電狀態（SOC），同時也能估算健康狀態（SOH）。在電動汽車發展初期，這是一項極為艱巨的任務，因為整套電池包總成中可能包含多達 7000 節電芯。但如今隨著電芯制造技術的進步，當前生產的電芯可采用大容量規格，大幅減少了電池包內的電芯數量。”

若是全新電池，其荷電狀態（SOC）可以被較為準確地估算。True Balancing 聯合創始人克林特?奧康納表示：“但隨著電池老化，并非所有電芯的衰減程度都一致。各電芯的單體容量開始出現差異，有的容量偏大，有的偏小。自放電速率略有不同，內阻也存在差異，最終導致每節電芯的電量與荷電狀態各不相同?！?nbsp;

圖 2：車用電流檢測與庫侖計數。資料來源：英飛凌

電池管理系統（BMS）指的是管理電池的整套電子系統，可根據電池化學體系、系統規模、使用環境、使用模式及應用挑戰進行定制化設計。BMS 最基礎的功能，是依據廠商規范防止電池過充或過放。奧康納指出：“如果過充導致電壓過高，或過放導致電壓過低，就會迫使電流穿過內阻，產生熱量，進而加速電池老化?！?/p>

BMS 還能防止過流狀況發生。他表示：“即便電池電量處于適中區間，若充放電電流速率過高，同樣會加速電池損傷。” 

將電池電能輸出至車輛

電池充滿電后，能量將用于驅動車輛或機器人運動，同時支持其他功能運行。因此，整車能量管理是車輛設計的核心挑戰。

西門子的辛哈稱：“以特斯拉 Model S 與奧迪某款電動車型為例，兩款車尺寸相近、電池容量相當，但續航里程卻差異顯著。這并非取決于電池裝載的總能量，而是能量在行駛中的利用效率。這就考驗 BMS、逆變器與電機的集成緊密程度及采用的技術方案。座艙空調等車載輔件會消耗大量能量，顯著縮短續航。因此，將電池能量合理分配至車輪及各類負載，是一項重大的系統工程難題?！?/p>

同理，電動汽車或人形機器人的節能效果，也取決于組件集成度與系統整體優化水平。辛哈表示：“行業正涌現多種優化策略。眾多廠商都在研究逆變器、轉換器在車內的布局方式，與電機的集成效果，甚至逆變器層面采用的技術方案?！?/p>

電池的主要負載是牽引逆變器，它將電池直流電轉換為變頻交流電。英飛凌的帕夫洛斯基說：“這就是電機運轉的原理?！?/p>

多電平轉換器可顯著提升效率。帕夫洛斯基解釋：“它不會直接從 0V 跳變至電池電壓，而是逐級調壓。實現方式有多種，其中一種是將電池拆分為多個小單元。例如將 400V 電池包拆分為多個 20V 模組，通過不同時段串聯這些單元生成正弦波，電壓從 20V、40V、60V 逐步升至所需峰值電壓，再逐級回落。之后通過功率開關切換電池極性，向負向電壓回落。”

在汽車領域，符合 ASIL?D 安全等級的六核微控制器（MCU），可讓每個核心配備獨立校驗核心。帕夫洛斯基解釋：“兩套核心同時運行相同軟件，若輸出結果存在差異，系統會立即檢測并標記故障。MCU 中的算法根據駕駛員的扭矩請求，控制功率開關動作，輸出對應驅動信號。” 

PMIC 在電池供電邊緣設備中的作用

電源管理芯片（PMIC）在電池向其他組件供電過程中承擔監管職責，負責控制供電時序、充電流程，監測電壓與電流水平以保障安全。無論是電動汽車、人形機器人還是小型邊緣設備，PMIC 都是必不可少的核心器件。

新突思科技的戴夫?加勒特表示：“PMIC 是低功耗方案的核心組件。很多低功耗設備都依賴電池供電，例如鋰離子電池電壓在 3.2V 至 4V 之間波動，供電穩定性極差。PMIC 的任務就是將 3.2V 至 3.8V 的電壓穩定轉換為芯片核心所需的 0.7V 電壓?！?/p>

部分 PMIC 集成線性穩壓器（LDO）。加勒特稱：“這種供電方式效率極低，僅通過壓降將高壓轉為低壓，成本低廉但能耗高。因此我們采用多路電源軌方案，搭載自研高效開關型 PMIC 實現電壓與電流轉換。能效是邊緣計算的關鍵，即便數字電路功耗控制再優秀，沒有優質 PMIC 也毫無意義?！?/p>

從汽車到數據中心，PMIC 都發揮著關鍵作用。英飛凌的帕夫洛斯基表示：“PMIC 會監測所有供電鏈路，包括 3.3V、5V 電壓、車載網絡通信供電及各類傳感器供電。”

PMIC 的應用場景仍在持續演進。Rambus 芯片產品營銷高級總監皮耶羅?布蘭科稱：“多個應用領域對 PMIC 提出嚴苛要求，自動駕駛便是典型。與數據中心 AI 類似，自動駕駛 AI 對負載電流、電壓調節精度與負載瞬態響應的要求持續提升。此外，自動駕駛車輛運行環境惡劣，電池輸入電壓波動大，還需滿足嚴格的電磁干擾（EMI）限制與高安全標準。物理 AI 是另一個具備同類需求的新興領域?！?/p>

AI 進一步加劇了供電設計復雜度。布蘭科指出：“AI 為所有服務器子系統帶來更嚴苛的功耗要求。例如在存儲子系統中，內存速度持續提升推高負載電流；DRAM 制程工藝精進要求更精準的電壓調節，同時 PMIC 需應對更苛刻的負載瞬態需求。這倒逼控制方案突破極限，需要創新設計實現更快瞬態響應與全負載電流下的最高能效。與此同時，內存方案需適配更小尺寸（如 SOCAMM 模組），要求電源方案采用更少外部組件，高效利用電路板空間。” 

結語

隨著電動汽車普及、機器人落地、無人機與電動飛行器興起，高效可靠的電池管理重要性日益凸顯。相關技術會隨應用場景與電池化學體系持續迭代。

如今電動汽車續航已成為核心賣點，BMS 各項指標都至關重要。Imagination Technologies 產品管理高級總監羅布?費舍爾表示：“車企過去依靠機械性能、發動機效率與動力形成差異化，如今電機取代了發動機，差異化競爭轉向電池壽命、座艙體驗等維度?！?/p>

能效同樣影響整車電氣架構設計。西門子的辛哈稱：“電氣架構設計與線纜總長都會影響整車重量，所有細節共同決定最終能耗表現。”