防止电车自燃，在汽车BMS中引入EIS技术能行吗？

电动汽车电池起火的问题在最近又引发了许多讨论。事实上，Pack厂更多的是基于现有方案的被动选择，所以往往是在散热或泄爆隔离这期间做事件发生后的被动防护，没有办法提前预警，所以就留给系统厂商和电池管理厂商一个疑问，怎样才能做到热失控预警和电池失效预测。也许这可以通过升级BMS来解决。

前几日，恩智浦推出了一款全同步EIS BMS，引发了行业关注。EIS的英文全称是Electrochemical Impedance Spectroscopy，中文翻译是电化学阻抗谱，它是电池检测的一项“黑科技”，可直接深入电芯内部，实现完全对齐的纳秒级、实验级精度。

热失控多因电芯充电或过放时发热，部分电芯可能超出正常范围。EIS可实时扫描出电芯内部温度，相比外部传感器的延迟反馈，能更快发现危险并及时应对。析锂是电芯内部缓慢且肉眼不可见的过程，不拆解无法察觉。EIS能捕捉到电芯内部结构变化引发的相位微小改变，从而识别析锂状态。在析锂刺穿膈膜前，EIS可让电芯提前报警，避免问题扩大。虽然EIS不能完全避免电池问题，但能大幅提升对热失控的提前预警能力。

用一个比喻来看：若将传统BMS比作中医望闻问切或X光片，仅能判断大致情况，EIS则相当于核磁共振，可深入电芯内部、细致分析细节。那么，EIS BMS背后有什么值得关注的信息？

事实上，EIS本来不是一个新东西，是实验室常用的昂贵的电池诊断工具，而现在，厂商则是努力将它做到芯片里。

EIS测试是如何实现的？给电池电极两端施加一定频率的电流激励，采集电池电极两端对应频率的电压波动，经过数字处理就可以得到电池在该频率下的交流阻抗，把不同频率下的交流阻抗绘制成EIS图或者说“阻抗图”。

通过分析这阻抗图，就能对电池的枝晶沉积、老化和热效应进行实时诊断。这一过程能揭示电池内部电化学过程的细微变化，包括那些其他评估手段无法察觉的细节，尤其可精准捕捉对电池寿命与性能产生负面影响的潜在问题。

那么这些EIS图又是什么？最常见的三种“电化学阻抗谱”包括奈奎斯特图（Nyquist plot）、波特图（Bode plot）、等效电路模型（ECM）。

奈奎斯特图是一种阻抗图形表示方式，其横轴为阻抗的实部（Re (Z)），纵轴为阻抗的负虚部（−Im (Z)）。该图通常会呈现出半圆弧和线性尾部，每一部分都对应着不同的电化学过程；伯德图作为奈奎斯特图的补充，以频率为变量，展示阻抗幅值（|Z|）和相位角的变化情况，对于确定时间常数和评估系统稳定性具有重要意义。

为解读电化学阻抗谱数据，研究人员常采用等效电路模型（ECM），该模型通过电气元件模拟电池的工作特性。

EIS反应电池的哪些参数？电芯内部温度、SoH、析锂、机械损伤等都有较密切的关联，可以通过芯片检测出的EIS参数来实现相关的功能应用。

频率范围是EIS测量关键指标，只有覆盖足够广的频率，才能完整捕获电池内部所有电化学过程。不同电化学反应的速率差异较大，对应需通过不同频率测量：像锂离子在电池阳极与阴极之间移动的离子扩散反应，速率较慢，通常需在低频段观察；而发生在电极与电解液界面的电荷转移反应，属于基础且快速的反应，需通过高频测量才能捕捉。

当前多数商用EIS测试设备的频率覆盖范围为1Hz至1MHz，其中高频测量可清晰反映电池内部金属导体、电极表面的状态，低频测量则能捕捉离子扩散等其他关键电化学现象。

当前，主流BMS依赖时域测量，其中值以0.1 Hz ~10 Hz的间隔进行采样，通过这些测量值使用算法（通常是卡尔曼滤波）来估算电池的内部状态。比如荷电状态（SoC）的估算与校正、健康状态（SoH）的评估，以及充电过程中的过充防护控制。

这类基于时域观测的软件检测方案门槛较低，温度传感器之类一般也都放在外部进行检测，所以目前市面上所有主流BMS芯片组均能支持，是现阶段行业内的成熟应用方案。然而，这种传统电池检测方案基于软件，难以精准捕捉毫秒级动态事件，无法获取故障早期征兆。对于电动汽车发展早期，也许这种性能已经足够了，但现在大家越来越关注电池的安全，所以升级是必然之路。

EIS则完全不一样，它能够直接深入电池的内部，进一步转化为电池的内部状态的深度信息，比如过热风险、析锂程度、老化程度等。

EIS 技术聚焦频域观测，核心测量电池的阻抗相位与幅值，凭借这一特性，能实现传统BMS难以覆盖的功能：不仅可精准估算电芯核心温度、及时检测电芯内部异常状态，还能提取电芯动态参数以支撑动态充电控制，比如有效预防锂析出等影响电池安全与寿命的问题。不过，EIS 技术的落地需要专用硬件支持。

EIS除了能测量内阻外，还能测量电池的电压、电流、温度，且可检测电池内部故障。具体方法是：先记录电芯出厂时的标准奈奎斯特曲线，在后续使用中，向电池注入与出厂时相同的频率，将实时获取的曲线与标准曲线对比。例如车辆使用3个月后，若注入相同频率发现曲线偏移，结合过往测试数据，就能判断电池出现的具体问题。

从电化学特性来看，EIS技术常用的频率范围为1/10赫兹到1K赫兹，该范围已覆盖获取电池关键特征值所需的所有中频段频率。不过在汽车实际应用中，无需全频段扫描（全频段扫描耗时过长），只需选取几个频率点测量即可。EIS在BMS中更多的是关注中频段的交流阻抗。

EIS BMS拥有许多优势，主要包括：

• 一是无损，就是给电芯正负极加微扰，不影响电芯寿命和工作状态；

• 二是实时，加之超高的测量精度，为汽车热管理，超快充，热失控预警等提供有力的数据证明；

• 三是兼容性极强，能与现有传统BMS管理无缝衔接，无需改动硬件，仅通过新增数学算法与DSP处理器即可实现集成；

• 四是激励效率极高：启用EIS功能需外加激励，目前主流激励方式中，该系统采用的总包激励效率优势显著。

EIS BMS最早的布局者是大唐恩智浦，早在2022年，这家公司便宣布推出新款电池管理芯片DNB1101A，DNB1101A基于专利电路技术，能够在很宽的频率范围内在线测量电池电化学阻抗谱（EIS）。电池的EIS数据能够进一步转化为电池的内部状态的深度信息，比如过热风险、析锂程度、老化程度等。

而后，大唐恩智浦不断完善集成在线交流阻抗谱（EIS）监测功能的DNB系列芯片，除了具备AFE芯片的功能之外，还可以为电池提供电芯下线测试、电芯热失控管理、故障电芯检测、电芯全生命周期在线SOC/SOH检测、电芯内部温度估算等功能，且是全球领先可以提供单电芯架构，在电池生产阶段能够满足单个AFE芯片嵌入单个电池内，记录电池电化学成分、制造信息等一系列电池相关的参数和唯一信息，实现电池全生命周期的健康管理（包括电压、温度）及碳足迹追踪。

比如，DNB1168是一款具有颠覆创新意义的单电芯电源监测芯片，能够为单独的电芯或者并联电池组提供电化学阻抗谱的测试。并且通过了汽车行业最高功能安全等级ASIL-D认证。

马瑞利也在不断加码EIS BMS，其在2024年柏林举办的2024CTI研讨会上，宣布推出基于电化学阻抗谱（EIS）的电池管理系统。马瑞利开发了一种具有成本效益、可大规模生产的解决方案，能够及早检测异常，防止热失控。

当前一代的“Marelli Energy” BMS平台，即“EIS就绪”平台，在低频范围的阻抗测量能力上已经取得了显著改进。在此基础上，计划于2025年发布的下一代“全EIS”BMS将进一步增强功能，实现更高频率的测量，为每个电池单元的状况提供全面的诊断。

“全EIS”BMS和“EIS就绪”平台有什么区别？马瑞利表示，受MCU与电池监控IC间菊花链通信协议限制，MCU对电芯及电池组电压、电流的采样间隔为1~10毫秒，导致EIS 最大频率被限制在约 0Hz（明显低于EV电池实验室当前标准），这也是当前BMS与未来 “全EIS”解决方案的主要区别——当前由MCU运行FFT限制了测量频率范围，而马瑞利计划升级电池监控IC使其直接运行FFT，将频率范围提升至1kHz以上，届时菊花链通信通道不再是瓶颈，可实现更高频率测量，进而更准确地测算SOC、SOH及温度。

通过进一步集成最先进的云端追踪和人工智能应用来增强计算算法，新的“Marelli Energy” BMS平台可以优化电池组荷电状态（SoC）和功率状态（SoP）的实时估算，精确评估电池的剩余使用寿命（RUL）和老化情况。这些进步带来了更长的电池寿命、更好的驾驶性能和更远的续航里程。

值得注意的是，EIS是马瑞利电池管理路线图上的众多创新之一，在其路线图上，无线BMS、AI算法都是升级的重点，和谐也都能与EIS相互配合。

恩智浦在最近则是成为第一家推出全同步EIS BMS产品的公司。恩智浦的EIS BMS方案采用全同步设计，时间对齐精度达150纳秒，为业界首家；测量精度接近实验室设备；芯片管脚兼容，客户原有非EIS系统升级时，仅需更换芯片、修改MCU软件，无需改动外部电阻电容，支持硬件预埋。

恩智浦EIS BMS解决方案通过模块化架构实现了这种方法，该架构包括三种专用芯片：

• BMA6402（GTW）：在整个系统中提供准确的时间同步；

• BMA7418（BCC）：测量每个电池的电压；

• BMA8420（BJB）：测量整个电池组的电流。

其中，BMA7418和BMA8420会将高速测量数据在片上转换为频域，这一功能大幅降低了主MCU的计算负载与内存占用；同时，该架构还减少了隔离通信总线负载率的使用，进一步减轻MCU负担。此外，在激励方面，兼具预充电控制器功能的恩智浦TAA3033器件可构成完整的系统。除上述芯片外，S32K3xx MCU、FS26 SBC/PMIC也可用于EIS系统。

据介绍，恩智浦的完整解决方案预计将于2026年初上市，配套的使能软件将在恩智浦S32K358汽车微控制器平台上运行。目前，已有车厂采用该方案开展产品研发，并预计明年将实现上车商用。

EIS其实是当前汽车BMS的两大趋势之一，另外一个则是无线BMS（wBMS）。但是，对比二者，EIS BMS 的升级需求明显更为迫切。这是因为传统 BMS 对电芯的检测仅停留在温度、电压维度，且多是精度小幅提升，而EIS能拓展检测维度，深入电芯内部，备受行业关注；无线BMS虽能解决菊花链连接的可靠性、安装耗时问题，但并非新技术，目前更偏向储能领域，车载场景因电芯集成方式变化，需求没那么紧迫。

根据恩智浦的预测，EIS会在明年开始逐渐上车应用，到2029~2030年左右将成为主流，届时没有EIS 的车辆或难满足市场需求。

不过，虽然市场前景好，但也伴随着挑战。首先，电池包的建模与标定需客户自主完成，由于线束、排布会改变电池包的等效模型，这一过程需要大量测试资源，在一定程度上会增加客户研发阶段的成本；其次，车辆行驶中的EIS激励受限于DCDC功率或马达控制，目前主要在停车、充电时进行EIS测量，暂未实现全工况实时测量。

EIS本身并非新技术，但对客户来说，重点是它能给实际场景带来多大价值。就像是机器人视频里看着酷炫，但关键要想清楚它的应用场景。真正落地难，是因为把EIS作为深入基础研究的厂商很少，实际实践也不足。比如想靠两三个工程师推进这件事，看似简单，实际要做大量建模、标定和测试，需要不少资源支撑，工作量远超预期。

而且多数车厂的反馈很一致：他们知道EIS，也需要它，但研究后觉得这东西有点 “玄学”，有时候有用，有时候没用，所以打算再等等，想等其他人先做出明显效果，看到实实在在的好处后再行动。所以，EIS落地的根本难点，说到底还是它没能拿出让人一眼看到、用户也能切实体会到的明确价值。

正因如此，在追求“短平快”的行业环境下，EIS的发展就更难了。但是，近期，越来越多的消费者和行业人士，意识到提升电池安全性的重要性。因此随着先发案例的效果逐步显现，预计EIS的落地速度将不断加快，这一市场也在徐徐展开。随着恩智浦发布全同步的方案，其他厂商也许也会进一步加码EIS BMS。