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电池+BMS+EMS三效合一!
电动车如何跑得快?

【作者: 鍾榮峰】2011年01月27日 星期四

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电动车的三大技术关卡,是电动马达、动力控制单元、以及相当重要的电池。其中最重要的动力电池技术,牵涉到安全性、环保、循环使用寿命、性能极限、环境温度、能量提供能力、充电时间等重大议题。而主要监控及管理整车电池模块、并且提供预警保护功能、进而延长电池使用寿命的电池管理系统(BMS),更是攸关整体电动车动力的最核心关键。


电池特性主宰电动车动力核心

在种类众多的电动车动力电池类型当中,可藉由充电程序回复蓄电量、可多次循环使用的二次电池,目前是大部分整车车厂开发电动车款最常用的电池类型。其中又以锂电池材料、包括锂钴、锂锰、磷酸锂铁以及日本常用的锂钴锰三元相电池为主。综观工作电压、能量体积密度、重量体积密度、功率和安全性等特性表现,磷酸锂铁和镍氢电池性能较佳。目前纯电动车的电池组,总电压约在288~360V之间,工作电压越高的电池,电动车所需的电池数量就越少;功率密度越高,瞬间放电电流越大,超速和爬坡就更有力。


电池材料特性不一 电量检测花心力


《图一 CES 2011展会上厂商也展示电动车充电站设备 摄影:柳林纬》
《图一 CES 2011展会上厂商也展示电动车充电站设备 摄影:柳林纬》

电动车电池的电量检测法主要包括负载电压法、内阻量测法、开路电压法、库仑计算法与能量计算法等。电池种类、放电深度、充电状态、变动负载、环境温度、电池组匹配与老化、使用次数等因素,都会影响SOC(State of Charge)的量测精准度。磷酸锂铁电池的电量检测非常难以估测的关键,就在于放电曲线过于平坦、几乎没有斜率的状态。电压看起来没什么变化,但是剩余电量可能就会有很大的差别。因此藉由读取电压掌握剩余电量的方式还是不够精确的。


每种电池芯的放电曲线都不一样,电量检测的估算法则也就不尽相同。锂钴和锂猛电池材料的OCV曲线都有一定的斜率,藉由测量电压变化对应于放电曲线斜率的方式,还可以掌握一定的电池剩余容量(RM)。因为不同电池材料会释放出独特的OCV曲线,因此藉由预先掌握各类电池材料独特的OCV曲线和方程序,辅以软件的数学逻辑运算,便能读取OCV的变化曲线并进行补偿,得以进一步精确掌握电动车电池的容量。这可有效取代读取电池电压变化模式的局限。


采用读取电压掌握剩余电量的模式,不仅无法掌握精确电池容量,在电池均衡效应上同样也会产生难题,特别是磷酸锂铁和锂铁电池。这也是为什么,磷酸锂铁电池目前还没办法有效量产的原因,其一是生产一致性过低,机械化生产设备和量测设备仍显不足,其二是在BMS芯片设计遇到上述难题所导致。


电动车BMS五大要点「软硬兼施」!

到电动车整车阶段部份,基本上就是以电池组(module)作为电池管理系统的基本单位。电池平衡管理和电池组状态监控这两大技术,对于BMS而言,是非常关键且必要的底层硬件架构。不过完整的BMS解决方案,除了底层硬件之外,上层的软件开发要领,还必须涵盖电池特性研究分析、电池建模与仿真分析、热管理、电池组老化与故障预警、和电池残电量估测方法等重要环节的系统整合与应用。



《图二 车辆中心所推出的第二代智能纯电动车i-EV2》
《图二 车辆中心所推出的第二代智能纯电动车i-EV2》

在针对BMS进行系统开发和程序设计时,有五大要点是绝对必备的。首先是纪录电池芯和电池组使用状态和习惯,其次是充放电、老化、内阻、操作变化、自我诊断等电池主要状态。再者是电池警示,特别是在温度、电压、过电流充放电的转态点等部份。电池组安全保护功能则是针对各种意外状态,例如压力变化、冲撞、感测失灵等,或是电池运作超过温度和电压范围、以及电流不足时,设计必须主动介入的机制。最后电池系统应用控制,则是提供开发人员掌握电池组状态的机制,例如当电动车示范运行时,温度电压控制、情境路况、马达转速、电池充放电曲线等关键数据数据,如何透过CAN车用网络传送到能量管理系统(EMS)。


要真正搞定电动车电池管理芯片设计,不是只凭借半导体芯片技术就可达成,更要兼顾电池材料特性,才能精确掌握电动车电池的效能。而BMS要精确掌握电池效能,兼顾电池计量和电池充电的功能,除了MCU如何控制电池外,软件才是关键。没有整合MCU和软件的核心,解决方案只能停留在模拟前端电路的角色。而软件要写得好,就要懂得掌握电池材料的化学特性。


电动车BMS「眉角」要注意

多串数电池管理挑战高

多串数电池管理系统BMS设计较为复杂,当电池串联数目增加,电池间差异所造成的影响也就越明显,电池组的使用效率也会递减。电动车机电系统的可靠度也会受到影响。电池串数多,就需要以堆栈方式累积,这时芯片就需要因应堆栈式电池的充电设计。但串数越高,电池电压也越高,有些芯片厂商就会在芯片和芯片之间设计其他零组件,藉由光耦隔离的方式,降低电池堆栈电压对于单一芯片所造成的负担。



《图三 能量管理系统EMS是提升电动车效能不可或缺的平台》
《图三 能量管理系统EMS是提升电动车效能不可或缺的平台》

正因为各类电池特性不尽相同,使得由多颗单体电芯(cell)所串接而成的高压电池组,在不同的使用状态下,会造成电芯不一致性的状况增加。而每个单电池都需要做适当的监测与平衡,提高单电池性能、安全与寿命。同时,电池组必须具有过充监测、过放监测、过电流监测以及过温保护等功能。


电池组之间讯息如何传递或链接,整车车厂与电池管理芯片大厂的开发要点不尽相同。不过由于多串数电池管理系统会受到变频马达很大的干扰源,并且电池组之间会有电位差问题,因此设计上常会用电位隔离膜或是转换方式来降低干扰状况。这些隔离技术本身各家大厂拥有自己的专利,也是攸关电池充放电平衡非常重要的技术门坎。


(表一) 电动车动力电池类型和特性比较表
电池类型 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂锰电池 磷酸锂铁电池
工作电压(V) 2V 1.2V 1.2V 3.7V 3.3V
体积能量密度(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
充电时间
能量效率(﹪) 60 75 70 90 95
记忆效应
循环寿命 400 500 500 >500 >2000
环保问题

充放电平衡是基本功

电池充放电平衡部份攸关电池组效能甚巨。基本上电池平衡管理可分为被动充电平衡和主动平衡这两大类。被动式充电平衡就是以充电方式来达到平衡效果,多半适合应用在油电混合动力车(Hybrid EV;HEV)领域,专利问题较少,没有高频切换噪声的困扰。


被动式充电平衡可分为长时间过充和消耗式这两种,前者不需加入任何电路,后者架构容易落实且简单,但是长时间过充会让电池芯的电压差太高,造成电量叫高的电池芯过充,而消耗式的电阻会导致消耗多余的电量。目前被动式充电平衡仍是大多数电池保护板厂商采用的方法。


主动平衡则可分为电容平衡、电感平衡和模块化平衡这三大类,多半适合应用在纯电动车领域。主动平衡能按照电池剩余电量来决定各个电池充电的比例,藉由储电组件来达到电量转移的目的,充电效率高,可缩短充电时间。不过因为电路主要由电容、电感和开关达到能转换的目的,因此成本较高、体积较大,且会有开关切换的噪声问题,因此控制设计上较为复杂。


目前电动车电池常见的充电方法,包括定电压充电曲线(CV)、定电流充电曲线(CC)、定电流/定电压充电曲线(CC-CV)和脉冲充电法。CV充电法的电流会随着电池内阻降低,因此电池温度不会剧烈上升,高充电状态也不会有高电压现象,不过充电初期电流大,会较容易发烫,且充电时间较无法估计。CC充电法在充电初期电流不会过大,时间容易估计,不过高充电状态时容易有高电压现象,电池温度会急遽上升。CC-CV充电法则兼顾CC快速充电和CV可自我调节电流的功能。


至于脉冲充电法多应用在铅酸电池,是使用周期性的脉冲电流对电池充电,可以在充电过程中提供电池休息时间来缓和化学反应,并可调节脉冲电流大小,达到快速充电的目的。


芯片大厂迎接挑战「没在怕」

电池组的保护功能,芯片大厂的解决方案就非常关键。例如电池满电仍继续充电时,保护电路板上的保护芯片就会切断充电;电压过低时,保护芯片就会切断放电回路;侦测到有短路现象时,可立即切断与电池的回路;保护芯片也需进行电池温度监测,并将讯息回传到系统运作过温保护控制。目前包括凌力尔特(Linear)、德州仪器(TI)、Infineon、Freescale、Microchip、RoHM等芯片大厂都已具备电池组保护芯片相关管理技术。


而投入多串数电动车电池管理芯片的大厂,则包括TI、O2Micro、Linear、爱特梅尔(Atmel)和亚德诺(ADI),可量测的电池芯数目在4~13颗之间,可堆栈数以16、32和50等为主,加乘下来BMS可管理的电池总数,大约在96~300颗之间。德州仪器和爱特梅尔有推出主动平衡电池充放电技术的芯片方案,其他大厂则以被动式消耗为主。


《图四 电动车能量状态可以透过简易的图形化接口让驾驶人清楚了解》
《图四 电动车能量状态可以透过简易的图形化接口让驾驶人清楚了解》

在针对不同电池材料的高电压充放电芯片设计上,目前为止还没有一家电源芯片厂商能提供固定的解决方案,实际上也不会有。不同的电池材料所产生的化学特性,都会产生独特的OCV曲线,且不同的温度和电池老化程度,其所产生的OCV曲线也不尽相同。这也是为什么,当各个车厂采用各自化学配方和材料属性的电动车电池时,对于芯片厂商来说,计量电动车电池会是这么具有挑战性的原因。电源芯片厂商必须针对不同属性的电池,搭配自己专属的充放电设计,规划出符合各类电动车电池材料属性的芯片解决方案。


BMS+EMS效果更佳!

电动车要跑得快,光靠电池管理系统(BMS)还不够,透过BMS将电池信息传送至能量管理系统(EMS),藉此,整车车厂更需要取得关键的数据数据以便进一步分析,这也是为什么现在全球大部分整车车厂,在正式推出电动车产品之前,会特别重视示范运行过程的原因。


藉由示范运行,车厂才能掌握电动车运行时、电池管理系统与其他零部件之间联动的重要关键数据。这些关键数据,都是属于非常机密的内容,内行人如果掌握到这些数据,基本上就可以了解这家车厂电动车性能的核心与要点。


各类电池的规格与特性,必须输入管理系统当中,使系统模板参数达到优化的调整,以符合各类电池电动电力的特性。长时期累积的各项参数数据,可作为建模与仿真分析的依据,配合实际路测后所键入的信息数据,车厂才会知道欲参数修正的关键点与幅度应该为何,这也是为什么,BMS所搜集到的数据数据会这么重要的原因。


(表二) 电动车电池充电平衡架构优缺点示意表
架构 被动充电平衡 主动充电平衡
长时间过充 消耗平衡充电 电容平衡 电感平衡 模块化平衡
优点 不需加入
任何电路
架构简单
容易实现
容易控制
不需要电压侦测电路
能量转换大
快速达到电池平衡
可供应稳定
电压
缺点 电池芯电压差过高
会造成电压较高的电池芯过充
电阻会导致消耗多余的电量 平衡时间较长 电压器互感及漏感问题 成本较高
应用 适合油电混合动力车(Hybrid EV) 适合纯电动车(Battery EV)
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