帳號:
密碼:
最新動態
 
產業快訊
CTIMES / 文章 /
電池+BMS+EMS三效合一!
電動車如何跑得快?

【作者: 鍾榮峰】   2011年01月27日 星期四

瀏覽人次:【12392】

電動車的三大技術關卡,是電動馬達、動力控制單元、以及相當重要的電池。其中最重要的動力電池技術,牽涉到安全性、環保、循環使用壽命、性能極限、環境溫度、能量提供能力、充電時間等重大議題。而主要監控及管理整車電池模組、並且提供預警保護功能、進而延長電池使用壽命的電池管理系統(BMS),更是攸關整體電動車動力的最核心關鍵。


電池特性主宰電動車動力核心

在種類眾多的電動車動力電池類型當中,可藉由充電程式回復蓄電量、可多次循環使用的二次電池,目前是大部分整車車廠開發電動車款最常用的電池類型。其中又以鋰電池材料、包括鋰鈷、鋰錳、磷酸鋰鐵以及日本常用的鋰鈷錳三元相電池為主。綜觀工作電壓、能量體積密度、重量體積密度、功率和安全性等特性表現,磷酸鋰鐵和鎳氫電池性能較佳。目前純電動車的電池組,總電壓約在288~360V之間,工作電壓越高的電池,電動車所需的電池數量就越少;功率密度越高,瞬間放電電流越大,超速和爬坡就更有力。


電池材料特性不一 電量檢測花心力


《圖一  CES 2011展會上廠商也展示電動車充電站設備  攝影:柳林緯》
《圖一 CES 2011展會上廠商也展示電動車充電站設備 攝影:柳林緯》

電動車電池的電量檢測法主要包括負載電壓法、內阻量測法、開路電壓法、庫侖計演算法與能量計算法等。電池種類、放電深度、充電狀態、變動負載、環境溫度、電池組匹配與老化、使用次數等因素,都會影響SOC(State of Charge)的量測精準度。磷酸鋰鐵電池的電量檢測非常難以估測的關鍵,就在於放電曲線過於平坦、幾乎沒有斜率的狀態。電壓看起來沒什麼變化,但是剩餘電量可能就會有很大的差別。因此藉由讀取電壓掌握剩餘電量的方式還是不夠精確的。


每種電池芯的放電曲線都不一樣,電量檢測的估算法則也就不盡相同。鋰鈷和鋰猛電池材料的OCV曲線都有一定的斜率,藉由測量電壓變化對應於放電曲線斜率的方式,還可以掌握一定的電池剩餘容量(RM)。因為不同電池材料會釋放出獨特的OCV曲線,因此藉由預先掌握各類電池材料獨特的OCV曲線和方程式,輔以軟體的數學邏輯運算,便能讀取OCV的變化曲線並進行補償,得以進一步精確掌握電動車電池的容量。這可有效取代讀取電池電壓變化模式的侷限。


採用讀取電壓掌握剩餘電量的模式,不僅無法掌握精確電池容量,在電池均衡效應上同樣也會產生難題,特別是磷酸鋰鐵和鋰鐵電池。這也是為什麼,磷酸鋰鐵電池目前還沒辦法有效量產的原因,其一是生產一致性過低,機械化生產設備和量測設備仍顯不足,其二是在BMS晶片設計遇到上述難題所導致。


電動車BMS五大要點「軟硬兼施」!

到電動車整車階段部份,基本上就是以電池組(module)作為電池管理系統的基本單位。電池平衡管理和電池組狀態監控這兩大技術,對於BMS而言,是非常關鍵且必要的底層硬體架構。不過完整的BMS解決方案,除了底層硬體之外,上層的軟體開發要領,還必須涵蓋電池特性研究分析、電池建模與模擬分析、熱管理、電池組老化與故障預警、和電池殘電量估測方法等重要環節的系統整合與應用。



《圖二  車輛中心所推出的第二代智慧純電動車i-EV2》
《圖二 車輛中心所推出的第二代智慧純電動車i-EV2》

在針對BMS進行系統開發和程式設計時,有五大要點是絕對必備的。首先是紀錄電池芯和電池組使用狀態和習慣,其次是充放電、老化、內阻、操作變化、自我診斷等電池主要狀態。再者是電池警示,特別是在溫度、電壓、過電流充放電的轉態點等部份。電池組安全保護功能則是針對各種意外狀態,例如壓力變化、衝撞、感測失靈等,或是電池運作超過溫度和電壓範圍、以及電流不足時,設計必須主動介入的機制。最後電池系統應用控制,則是提供開發人員掌握電池組狀態的機制,例如當電動車示範運行時,溫度電壓控制、情境路況、馬達轉速、電池充放電曲線等關鍵數據資料,如何透過CAN車用網路傳送到能量管理系統(EMS)。


要真正搞定電動車電池管理晶片設計,不是只憑藉半導體晶片技術就可達成,更要兼顧電池材料特性,才能精確掌握電動車電池的效能。而BMS要精確掌握電池效能,兼顧電池計量和電池充電的功能,除了MCU如何控制電池外,軟體才是關鍵。沒有整合MCU和軟體的核心,解決方案只能停留在類比前端電路的角色。而軟體要寫得好,就要懂得掌握電池材料的化學特性。


電動車BMS「眉角」要注意

多串數電池管理挑戰高

多串數電池管理系統BMS設計較為複雜,當電池串聯數目增加,電池間差異所造成的影響也就越明顯,電池組的使用效率也會遞減。電動車機電系統的可靠度也會受到影響。電池串數多,就需要以堆疊方式累積,這時晶片就需要因應堆疊式電池的充電設計。但串數越高,電池電壓也越高,有些晶片廠商就會在晶片和晶片之間設計其他零組件,藉由光耦隔離的方式,降低電池堆疊電壓對於單一晶片所造成的負擔。



《圖三  能量管理系統EMS是提昇電動車效能不可或缺的平台》
《圖三 能量管理系統EMS是提昇電動車效能不可或缺的平台》

正因為各類電池特性不盡相同,使得由多顆單體電芯(cell)所串接而成的高壓電池組,在不同的使用狀態下,會造成電芯不一致性的狀況增加。而每個單電池都需要做適當的監測與平衡,提高單電池性能、安全與壽命。同時,電池組必須具有過充監測、過放監測、過電流監測以及過溫保護等功能。


電池組之間訊息如何傳遞或連結,整車車廠與電池管理晶片大廠的開發要點不盡相同。不過由於多串數電池管理系統會受到變頻馬達很大的干擾源,並且電池組之間會有電位差問題,因此設計上常會用電位隔離膜或是轉換方式來降低干擾狀況。這些隔離技術本身各家大廠擁有自己的專利,也是攸關電池充放電平衡非常重要的技術門檻。


(表一) 電動車動力電池類型和特性比較表
電池類型 鉛酸電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰錳電池 磷酸鋰鐵電池
工作電壓(V) 2V 1.2V 1.2V 3.7V 3.3V
體積能量密度(Wh/L) 100 150 250 285 270
重量能量密度(Wh/kg) 30 60 80 110 120
功率(W/kg) 300 150 800 400 2000
安全性 尚可
充電時間
能量效率(﹪) 60 75 70 90 95
記憶效應
循環壽命 400 500 500 >500 >2000
環保問題

充放電平衡是基本功

電池充放電平衡部份攸關電池組效能甚鉅。基本上電池平衡管理可分為被動充電平衡和主動平衡這兩大類。被動式充電平衡就是以充電方式來達到平衡效果,多半適合應用在油電混合動力車(Hybrid EV;HEV)領域,專利問題較少,沒有高頻切換雜訊的困擾。


被動式充電平衡可分為長時間過充和消耗式這兩種,前者不需加入任何電路,後者架構容易落實且簡單,但是長時間過充會讓電池芯的電壓差太高,造成電量叫高的電池芯過充,而消耗式的電阻會導致消耗多餘的電量。目前被動式充電平衡仍是大多數電池保護板廠商採用的方法。


主動平衡則可分為電容平衡、電感平衡和模組化平衡這三大類,多半適合應用在純電動車領域。主動平衡能按照電池剩餘電量來決定各個電池充電的比例,藉由儲電元件來達到電量轉移的目的,充電效率高,可縮短充電時間。不過因為電路主要由電容、電感和開關達到能轉換的目的,因此成本較高、體積較大,且會有開關切換的雜訊問題,因此控制設計上較為複雜。


目前電動車電池常見的充電方法,包括定電壓充電曲線(CV)、定電流充電曲線(CC)、定電流/定電壓充電曲線(CC-CV)和脈衝充電法。CV充電法的電流會隨著電池內阻降低,因此電池溫度不會劇烈上升,高充電狀態也不會有高電壓現象,不過充電初期電流大,會較容易發燙,且充電時間較無法估計。CC充電法在充電初期電流不會過大,時間容易估計,不過高充電狀態時容易有高電壓現象,電池溫度會急遽上升。CC-CV充電法則兼顧CC快速充電和CV可自我調節電流的功能。


至於脈衝充電法多應用在鉛酸電池,是使用週期性的脈衝電流對電池充電,可以在充電過程中提供電池休息時間來緩和化學反應,並可調節脈衝電流大小,達到快速充電的目的。


晶片大廠迎接挑戰「沒在怕」

電池組的保護功能,晶片大廠的解決方案就非常關鍵。例如電池滿電仍繼續充電時,保護電路板上的保護晶片就會切斷充電;電壓過低時,保護晶片就會切斷放電迴路;偵測到有短路現象時,可立即切斷與電池的迴路;保護晶片也需進行電池溫度監測,並將訊息回傳到系統運作過溫保護控制。目前包括凌力爾特(Linear)、德州儀器(TI)、Infineon、Freescale、Microchip、RoHM等晶片大廠都已具備電池組保護晶片相關管理技術。


而投入多串數電動車電池管理晶片的大廠,則包括TI、O2Micro、Linear、愛特梅爾(Atmel)和亞德諾(ADI),可量測的電池芯數目在4~13顆之間,可堆疊數以16、32和50等為主,加乘下來BMS可管理的電池總數,大約在96~300顆之間。德州儀器和愛特梅爾有推出主動平衡電池充放電技術的晶片方案,其他大廠則以被動式消耗為主。


《圖四  電動車能量狀態可以透過簡易的圖形化介面讓駕駛人清楚瞭解》
《圖四 電動車能量狀態可以透過簡易的圖形化介面讓駕駛人清楚瞭解》

在針對不同電池材料的高電壓充放電晶片設計上,目前為止還沒有一家電源晶片廠商能提供固定的解決方案,實際上也不會有。不同的電池材料所產生的化學特性,都會產生獨特的OCV曲線,且不同的溫度和電池老化程度,其所產生的OCV曲線也不盡相同。這也是為什麼,當各個車廠採用各自化學配方和材料屬性的電動車電池時,對於晶片廠商來說,計量電動車電池會是這麼具有挑戰性的原因。電源晶片廠商必須針對不同屬性的電池,搭配自己專屬的充放電設計,規劃出符合各類電動車電池材料屬性的晶片解決方案。


BMS+EMS效果更佳!

電動車要跑得快,光靠電池管理系統(BMS)還不夠,透過BMS將電池資訊傳送至能量管理系統(EMS),藉此,整車車廠更需要取得關鍵的數據資料以便進一步分析,這也是為什麼現在全球大部分整車車廠,在正式推出電動車產品之前,會特別重視示範運行過程的原因。


藉由示範運行,車廠才能掌握電動車運行時、電池管理系統與其他零部件之間聯動的重要關鍵數據。這些關鍵數據,都是屬於非常機密的內容,內行人如果掌握到這些數據,基本上就可以瞭解這家車廠電動車性能的核心與要點。


各類電池的規格與特性,必須輸入管理系統當中,使系統模板參數達到最佳化的調整,以符合各類電池電動電力的特性。長時期累積的各項參數資料,可作為建模與模擬分析的依據,配合實際路測後所鍵入的資訊數據,車廠才會知道欲參數修正的關鍵點與幅度應該為何,這也是為什麼,BMS所蒐集到的數據資料會這麼重要的原因。


(表二) 電動車電池充電平衡架構優缺點示意表
架構 被動充電平衡 主動充電平衡
長時間過充 消耗平衡充電 電容平衡 電感平衡 模組化平衡
優點 不需加入
任何電路
架構簡單
容易實現
容易控制
不需要電壓偵測電路
能量轉換大
快速達到電池平衡
可供應穩定
電壓
缺點 電池芯電壓差過高
會造成電壓較高的電池芯過充
電阻會導致消耗多餘的電量 平衡時間較長 電壓器互感及漏感問題 成本較高
應用 適合油電混合動力車(Hybrid EV) 適合純電動車(Battery EV)
相關文章
充電站布局多元商業模式
以爆管和接觸器驅動器提高HEV/EV電池斷開系統安全性
揮別續航里程焦慮 打造電動車最佳化充電策略
高頻寬電源模組消除高壓線路紋波抑制干擾
48 V低速電動車參考設計 微型交通技術加速發展
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 意法半導體公布第三季財報 工業市場持續疲軟影響銷售預期
» 慧榮獲ISO 26262 ASIL B Ready與ASPICE CL2認證 提供車用級安全儲存方案
» 攸泰科技躍上2024 APSCC國際舞台 宣揚台灣科技競爭力
» 東芝推出高額定無電阻步進馬達驅動器TB67S559FTG
» 艾邁斯歐司朗全新UV-C LED提升UV-C消毒效率


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3  v3.20.2048.18.118.10.36
地址:台北數位產業園區(digiBlock Taipei) 103台北市大同區承德路三段287-2號A棟204室
電話 (02)2585-5526 #0 轉接至總機 /  E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw