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核心要点

• 将电网交流电转换为系统直流电有多种方式，部分方式会加速电池老化。

• 电池管理系统监测电芯电压、电流与温度，辅助估算荷电状态、健康状态及剩余使用寿命。

• 搭载多电平转换器的电源管理芯片（PMIC）是将电池电能输送至牵引逆变器与电机的最高效方案，因其可逐级调节电压，而非直接从 0V 跳变至电池电压。

• 对于所有电池供电设备，电源管理都是核心问题 —— 无论是延长电动汽车续航、机器人工作时长，还是消费类设备的待机时间。电池管理技术已十分成熟，但持续的创新仍在不断优化系统、挖掘更高能效。

电池系统由一系列复杂芯片与子系统构成，在三个关键阶段优化电流与电能传输：

1. 将电网电能充入电池；

2. 通过电池管理系统（BMS）监测电量、健康状态与剩余使用寿命；

3. 将电池电能输出，供车辆、机器人或其他设备使用。

电动汽车与人形机器人等边缘设备的电池充放电流程基本一致。英飞凌科技应用工程总监吉姆・帕夫洛斯基表示：“机器人面临完全相同的挑战。机器人为电机、执行器等部件供电的母线电压为 48V，因为 48V 属于安全低压；高于 60V 则被视为高压。但机器人同样需要电池组，可采用锂离子或其他化学体系电池，也需要一套监测电池组健康状态、电量与温度的 BMS 系统，以及相同类型的微控制器（MCU）。” 

电能充入电池

电池充电是整体电动化方案的关键环节，其中充电速度是核心指标。

西门子 EDA 电池行业全球高级总监普尼特・辛哈称：“当前，多家车企的电动汽车最快可在 15 分钟内将电量从 0 充至 80%。若要进一步提升充电速度或可靠性，尤其是在极端天气下，既取决于电池设计 —— 采用何种材料与电芯结构以承受大电流充电，也需要充电侧电子器件匹配，能够输送足够电量。”

在电动汽车中，车载充电机（OBC）模块将电网交流电转换为高压直流电，从而将电流充入电池。帕夫洛斯基解释道：“这是强制将电子注入电池，与电池放电时向负载输出电子的过程相反。该转换效率需达到 98% 左右。”

与其他电力电子设备一样，发热也是一大难题。“交流电转直流电需要半导体器件以极高频率开关，部分场景下可达数百千赫兹。晶体管开关每次动作都会因非理想特性产生热量，我们称之为开关损耗。每秒数十万次开关，产生的热量可想而知。”

基于氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）的功率器件可大幅降低开关损耗。帕夫洛斯基表示：“开关从 0V 升至 400V 的速度越快，损耗就越小；若切换速度缓慢，会产生大量热量。”

因此，充电电子系统的合理设计至关重要。辛哈称：“这也是基于碳化硅的逆变器不断创新并普及的原因。我们还需要对电缆进行冷却，因为电缆容易成为发热点。”

车载充电机适用性广泛。帕夫洛斯基说：“接入 120V 家用插座时，设备可自动识别并升压至电池所需直流电压；接入美国 240V 的二级充电桩也可适配，普通住宅就具备该供电条件。”

另一种充电方式是直流快充，如特斯拉超级充电桩，可在极短时间内向电池注入大量电能，但对电池的损耗也大于常规充电。

帕夫洛斯基解释：“直流快充无需车辆内部的车载充电机进行 AC-DC 转换，而是直接从超充桩获取直流电。大功率连接器通过专用触点向电池直供直流电，功率最高可达 750 千瓦，足以在特定时段为小型社区供电。这一技术得以实现，是因为充电线缆内置大功率导线并配有冷却液，以疏导铜导体产生的热量；同时车辆电池也配备内部散热系统控制温度。”

配合适配大电流的电池化学体系，9 分钟极速充电成为可能。但快充会加速电池老化、缩短寿命。

新思科技首席工程师布莱恩・凯利指出：“电池老化是复杂的电化学过程，主要分为自然老化与循环老化两类。循环老化取决于电池使用时的受力状态，频繁快充、高倍率放电、深度充放电循环及极端温度工作，都会加速电池衰减，使其性能随时间快速下降。”

随着电池技术与充电方式持续迭代，配套电子器件与系统在保障高效、安全供电方面的作用愈发重要。理解各组件的协同机制，对优化电池性能与寿命至关重要。

用于充电的核心芯片包括功率开关、栅极驱动器与微控制器。

功率开关由栅极驱动器控制。帕夫洛斯基称：“栅极驱动器直接向功率器件发送开关信号，同时需要实现高压侧与低压侧的电气隔离。所有控制逻辑均由低压微控制器执行，其内核工作电压仅 1.2V 甚至 800mV。栅极驱动器将 MCU 输出的 3.3V 或 5V 逻辑控制信号，通过电气隔离屏障传输至高压侧，生成驱动功率器件的实际栅极信号。”

微控制器运行算法，实现功率器件的控制与开关。“它通过调节电压实现升降压，同时执行多项安全功能 —— 监测温度与输入电压，满足 ISO 26262 功能安全标准。车载充电机部分模块需达到 ASIL‑D 最高安全等级，微控制器与栅极驱动器必须满足该等级要求，以检测可能引发危险的故障，避免人身伤亡。”

除充电与电池技术外，电能充入电池后的管理与监测同样关键，尤其是在新型充电策略与架构不断涌现的背景下。 

电池换电

电池换电模式在工业领域快速普及，如电动长途重卡车队、末端配送车辆及工厂机器人。辛哈表示：“换电模式曾在私家车领域尝试，但商业上并未成功。如今规模与商业需求均已成熟。换电模式对电池包整体架构与连接方式提出要求，需实现电池快速拆卸与精准更换。”

换电可让用户快速更换全新电池，亏电电池可在夜间慢充，无需现场等待。

电池管理系统（BMS）是换电流程的核心，相当于电池的 “大脑”。辛哈解释：“车队场景需要能源管理系统（EMS）统筹所有电池。无论是人形机器人车队还是卡车车队，运营方都需要掌握各设备电量，通过 BMS 回传的海量遥测数据与数据库，判断哪些电池需要更换、哪些设备可继续工作，并通过仪表盘实时监控车队状态。”

电池管理系统

电能充入电池后，会由电池管理系统（BMS）进行监测与均衡控制。

图 1：车用电池管理系统（BMS）资料来源：英飞凌 

新思科技的凯利表示：“‘电池’这一术语常被泛泛使用，尽管它所指的对象差异极大 —— 可以是单个电芯、一个模组，或是由众多电芯组成的完整电池包。只有在电池包层级，电池管理系统（BMS）的功能与电芯间均衡才有实际意义。”

硬件设计工程师必须估算电池包相对于使用寿命终点（EOL）的当前健康状态（SOH）。凯利指出：“这一信息至关重要。它能实现精准的质量评估，支持剩余使用寿命（RUL）预测，并有助于降低高昂的保修相关成本。”

对于任何由发电单元组成的阵列 —— 从太阳能板阵列到电池包 —— 其整体性能仅取决于最薄弱的一环。凯利称：“电池管理系统会主动监测每节电芯的电压、电流、温度，估算荷电状态（SOC），同时也能估算健康状态（SOH）。在电动汽车发展初期，这是一项极为艰巨的任务，因为整套电池包总成中可能包含多达 7000 节电芯。但如今随着电芯制造技术的进步，当前生产的电芯可采用大容量规格，大幅减少了电池包内的电芯数量。”

若是全新电池，其荷电状态（SOC）可以被较为准确地估算。True Balancing 联合创始人克林特・奥康纳表示：“但随着电池老化，并非所有电芯的衰减程度都一致。各电芯的单体容量开始出现差异，有的容量偏大，有的偏小。自放电速率略有不同，内阻也存在差异，最终导致每节电芯的电量与荷电状态各不相同。” 

图 2：车用电流检测与库仑计数。资料来源：英飞凌

电池管理系统（BMS）指的是管理电池的整套电子系统，可根据电池化学体系、系统规模、使用环境、使用模式及应用挑战进行定制化设计。BMS 最基础的功能，是依据厂商规范防止电池过充或过放。奥康纳指出：“如果过充导致电压过高，或过放导致电压过低，就会迫使电流穿过内阻，产生热量，进而加速电池老化。”

BMS 还能防止过流状况发生。他表示：“即便电池电量处于适中区间，若充放电电流速率过高，同样会加速电池损伤。” 

将电池电能输出至车辆

电池充满电后，能量将用于驱动车辆或机器人运动，同时支持其他功能运行。因此，整车能量管理是车辆设计的核心挑战。

西门子的辛哈称：“以特斯拉 Model S 与奥迪某款电动车型为例，两款车尺寸相近、电池容量相当，但续航里程却差异显著。这并非取决于电池装载的总能量，而是能量在行驶中的利用效率。这就考验 BMS、逆变器与电机的集成紧密程度及采用的技术方案。座舱空调等车载辅件会消耗大量能量，显著缩短续航。因此，将电池能量合理分配至车轮及各类负载，是一项重大的系统工程难题。”

同理，电动汽车或人形机器人的节能效果，也取决于组件集成度与系统整体优化水平。辛哈表示：“行业正涌现多种优化策略。众多厂商都在研究逆变器、转换器在车内的布局方式，与电机的集成效果，甚至逆变器层面采用的技术方案。”

电池的主要负载是牵引逆变器，它将电池直流电转换为变频交流电。英飞凌的帕夫洛斯基说：“这就是电机运转的原理。”

多电平转换器可显著提升效率。帕夫洛斯基解释：“它不会直接从 0V 跳变至电池电压，而是逐级调压。实现方式有多种，其中一种是将电池拆分为多个小单元。例如将 400V 电池包拆分为多个 20V 模组，通过不同时段串联这些单元生成正弦波，电压从 20V、40V、60V 逐步升至所需峰值电压，再逐级回落。之后通过功率开关切换电池极性，向负向电压回落。”

在汽车领域，符合 ASIL‑D 安全等级的六核微控制器（MCU），可让每个核心配备独立校验核心。帕夫洛斯基解释：“两套核心同时运行相同软件，若输出结果存在差异，系统会立即检测并标记故障。MCU 中的算法根据驾驶员的扭矩请求，控制功率开关动作，输出对应驱动信号。” 

PMIC 在电池供电边缘设备中的作用

电源管理芯片（PMIC）在电池向其他组件供电过程中承担监管职责，负责控制供电时序、充电流程，监测电压与电流水平以保障安全。无论是电动汽车、人形机器人还是小型边缘设备，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组件。很多低功耗设备都依赖电池供电，例如锂离子电池电压在 3.2V 至 4V 之间波动，供电稳定性极差。PMIC 的任务就是将 3.2V 至 3.8V 的电压稳定转换为芯片核心所需的 0.7V 电压。”

部分 PMIC 集成线性稳压器（LDO）。加勒特称：“这种供电方式效率极低，仅通过压降将高压转为低压，成本低廉但能耗高。因此我们采用多路电源轨方案，搭载自研高效开关型 PMIC 实现电压与电流转换。能效是边缘计算的关键，即便数字电路功耗控制再优秀，没有优质 PMIC 也毫无意义。”

从汽车到数据中心，PMIC 都发挥着关键作用。英飞凌的帕夫洛斯基表示：“PMIC 会监测所有供电链路，包括 3.3V、5V 电压、车载网络通信供电及各类传感器供电。”

PMIC 的应用场景仍在持续演进。Rambus 芯片产品营销高级总监皮耶罗・布兰科称：“多个应用领域对 PMIC 提出严苛要求，自动驾驶便是典型。与数据中心 AI 类似，自动驾驶 AI 对负载电流、电压调节精度与负载瞬态响应的要求持续提升。此外，自动驾驶车辆运行环境恶劣，电池输入电压波动大，还需满足严格的电磁干扰（EMI）限制与高安全标准。物理 AI 是另一个具备同类需求的新兴领域。”

AI 进一步加剧了供电设计复杂度。布兰科指出：“AI 为所有服务器子系统带来更严苛的功耗要求。例如在存储子系统中，内存速度持续提升推高负载电流；DRAM 制程工艺精进要求更精准的电压调节，同时 PMIC 需应对更苛刻的负载瞬态需求。这倒逼控制方案突破极限，需要创新设计实现更快瞬态响应与全负载电流下的最高能效。与此同时，内存方案需适配更小尺寸（如 SOCAMM 模组），要求电源方案采用更少外部组件，高效利用电路板空间。” 

结语

随着电动汽车普及、机器人落地、无人机与电动飞行器兴起，高效可靠的电池管理重要性日益凸显。相关技术会随应用场景与电池化学体系持续迭代。

如今电动汽车续航已成为核心卖点，BMS 各项指标都至关重要。Imagination Technologies 产品管理高级总监罗布・费舍尔表示：“车企过去依靠机械性能、发动机效率与动力形成差异化，如今电机取代了发动机，差异化竞争转向电池寿命、座舱体验等维度。”

能效同样影响整车电气架构设计。西门子的辛哈称：“电气架构设计与线缆总长都会影响整车重量，所有细节共同决定最终能耗表现。”

关键词： 智能供电 PMIC 电池管理