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》 |
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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》 |
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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》 |
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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 |
佳 |
佳 |
佳 |
尚可 |
優 |
充電時間 |
長 |
短 |
中 |
中 |
短 |
能量效率(﹪) |
60 |
75 |
70 |
90 |
95 |
記憶效應 |
無 |
大 |
小 |
無 |
無 |
循環壽命 |
400 |
500 |
500 |
>500 |
>2000 |
環保問題 |
有 |
有 |
無 |
無 |
無 |
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》 |
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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) |