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BMPS最佳化 仍从基本要素看起
数位、类比缺一不可

【作者: 姚嘉洋】2016年03月15日 星期二

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随着环境意识的抬头加上技术不断地突破,近年来电动车的发展可以说是相当的火热,普遍来看,电动车在面对既有的技术瓶颈,从操作上的流畅度、基础建设、电池寿命等相关课题,已渐渐能有所突破,所以进一步来看,电动车的所需要的电池容量及其模组管理技术能否突破,可说是电动车接下来还能不能再进一步成长的重要关键。


撇除电池容量与稳定性不谈,从晶片乃至于电池模组的电路设计若能有所突破,会有哪些效益? TI(德州仪器)电池管理解决方案大中华区市场与应用部门经理文司华博士表示,对电动车的驾驶来说,最为在乎的课题,不外乎是加速性能、电力还能让驾驶开多久的时间,车载资通讯系统本身是否能告知驾驶,相关的电力资讯就成了相当重要的关键。



图1 : 电动车与内燃机车辆相同,行驶距离、可用的电力与加速表现等,都是驾驶十分在意的基本要件。 (Source:Tesla)
图1 : 电动车与内燃机车辆相同,行驶距离、可用的电力与加速表现等,都是驾驶十分在意的基本要件。 (Source:Tesla)

就电动车的分类上,大体上可分为油电混合与纯电动车两大类别,不论是何种类型,因应道路难易度或是其他因素的不同,形成了不同的设计需求,各大电动车厂在设计BMS(电池管理系统)时,在电池串并的方式与输出功率就会出现形形色色的设计架构。


文司华分析,不同类别的电动车对电池能量、功率密度、续航里程和温度特性有多方面不同要求,所以无法设计出通用的电池模组。所以,车厂也只能针对电动车在充放电安全和可靠性上的要求,尽可能地精益求精。 BMS系统以及其中电子装置的性能在保证电动车安全和可靠性上,拥有核心作用。文司华也认为,未来BMS将进一步提供更加快速稳定的电压、温度采样,更加精准的电压电流测量,加强抵抗电磁干扰(EMI),提供多层次防护,并通过提高整合度来显著改善BMS的可制造性(manufacturability)和成本。



图2 : 因应不同环境或是需求,电动车对于电池功率、串并方式等,都会有所不同。 (Source:www.electrans.co.uk)
图2 : 因应不同环境或是需求,电动车对于电池功率、串并方式等,都会有所不同。 (Source:www.electrans.co.uk)

就设计架构来看,大体上仍然不脱数位与类比电路彼此搭配的精神,以数位电路而言,仍然不脱MCU(微控制器)的讨论范畴,类比电路则是要考量到电池电量的监测与保护。


MCU扮管理角色 中央、分权皆可适用

从MCU的角度切入,瑞萨电子汽车应用行销部主任黄源旗表示,BMS基本上所在意的重点,仍然不脱:低功耗、高可靠度与安全性等这三个面向。市场上的电动车所使用的电池种类大致上可以分为两类,一种是我们所知道的锂电池,另一种则是镍氢电池。前者就安全性上相对不是那么稳定,原因是锂的特性较为活泼,很容易引起爆炸或是燃烧。所以像是电池模组业者或是车厂在BMS设计上,都十分强调保护措施,以日系车厂丰田(TOYOTA)为例,从单颗电池、电池组再到整个BMS,每个环结都设下了保护机制,以确保在驾驶上能够安全无虞。除此之外,BMS也十分强调监控功能,相较于保护机制,监控功能则侧重驾驶者能有较好的使用体验,其中最在意的,莫过于电池寿命能否进一步延长。在电池充放电时, 最重要的是每个电池芯之间的平衡调整确保电池芯不会过度充电或放电。


黄源旗谈到,因应各大车厂的需求不同,大致上BMS的设计可分为两种不同的架构,一种是「中央集权」的模式,所有的电池模组都交由一颗32位元的MCU来进行管理,另一种则是「地方分权」,各个电池模组皆使用一颗16位元的MCU来进行监控,之后再将资讯交给32位元MCU进行统一管理,作法上没有对错。最大的差别就是地方分权的作法,成本会较为高昂。他也谈到,BMS所使用的MCU的规格并不会相当复杂,基本都会有CAN BUS的传输接收功能、UART、SPI与12位元的ADC(类比数位讯号转换器),演算法的部份,大致上也是由车厂所把持,瑞萨原则上就是提供MCU为主,现阶段也没有与类比元件业者共同开发BMS的参考设计方案。



图3 : MCU在BMS设计是不可或缺的角色,差别就在于,设计架构上,要如何贴近车厂的需求。 (Source:瑞萨电子)
图3 : MCU在BMS设计是不可或缺的角色,差别就在于,设计架构上,要如何贴近车厂的需求。 (Source:瑞萨电子)

BMS设计虽然可以区分成数位与类比两大类别,

但两者彼此还是要互补,前者负责管理控制,后者则负责监测保护,

如此才能发挥效益。

但说到底,仍然不脱成本、性能与体积之间的平衡。

种类大不同 类比电路设计学问大

回到类比电路的角度,文司华透露,在BMS设计上的电池数量与排列取决于众多因素,包括电动车的类别、总体功率和能量的设定、电池芯的类型选择等等。


电动车的类别会直接决定对的BMS的设计方向。混合动力汽车(HEV)对动力系统的功率密度要求较高,而纯电动汽车(EV或BEV)的电池动力系统的总体能量和功率要求高。 PHEV系统中,电池作为动力的比重有变化落实到电池选型上,BEV由于为了满足能量要求往往采用大量的单体电池,那么功率的要求比较容易达到。


在主流的BEV系统里面,BMS的电池排列需要接近或超过96个单体电池串联以达到400V左右的总电压。例如特斯拉和NISSAN Leaf部分型号。如果选择18650圆柱电芯,需要很多电池并联,例如特斯拉某款车型需要74个电池并联。而由于NISSAN Leaf某款选用大容量Laminate电池,则只需要两颗并联。


文司华指出,BMS监控和管理晶片的选型主要跟电池串联数量有关,也即电池电压有关。目前业界单颗BMS类比前端晶片能够监控的数量(亦即通道数)为6~16节串联电池。电动车的电池动力系统中包含的电池模组的数量与选择的BMS监控晶片的通道数关联。以96节总串联电池为例,如果BMS晶片的通道数为6,那么总共需要16个模组串联。如果是12通道,​​则需要8个模组。



图4 : 从图中来看,不难看出,除了MCU外,类比元件也在BMS设计上颇具重要份量。 (Source:TI)
图4 : 从图中来看,不难看出,除了MCU外,类比元件也在BMS设计上颇具重要份量。 (Source:TI)

电池电力输出表现亦是重要课题

BMS的表现,决定了电动车续航力与驾驶体验的重要关键,但在电力输出之后的稳定性与开关损失的控制,也是电动车整体功耗能否降低的重要关键。


Vicor资深工程师张仁程谈到,Vicor过去一直以来,就是致力于开发高功率密度兼具体积微缩的电源模组产品,从电池模组提供出来的电压送到各大电子系统时,仍要经过「降压」的程式,但考量到各个电子系统本身也需要被保护,所以在电源设计上就必须加上稳压设计,才能避免电子系统遭到高压电破坏或是突波干扰的情况发生。


实务上,DC/DC电源有两个作用,一个是作为12V铅酸电池的充电电源,另外一个是直接给车上的12V的电源系统供电。在同时考量到电动车的安全性与整体电力传输的设计时,稳压设计实乃必要的设计环结,作法上,可以从BMS端的电力输出时,就采取稳压设计,或者是在各部次电子系统整合稳压电路两种,张仁程直言,两种作法在实务上,都有车厂采用,所以Vicor在方案的提供,也是采取同时并进的方式。



图5 : Vicor资深工程师张仁程(摄影:姚嘉洋)
图5 : Vicor资深工程师张仁程(摄影:姚嘉洋)

张仁程进一步谈到,在DC/DC电源端,稳压与否也决定了该电路的能源效率,在没有稳压的情况下,Vicor能将能源效率提升至98%,在有稳压之下,效率则能提升至92.5%,虽然效率略为下降,但与其他竞争对手相较,仍是居于领先的位置。两者除了能源效率有差异外,电压输出范围也有所不同。采取稳压的作法,输出电压的范围较小,约莫介于12至15V之间,客户可以依照实际需求利用类比式电路的分压电阻的作法来调整电压高低,若客户没有太多的想法,通常Vicor会先给定13.8V给客户。张仁程补充说明指出,需要稳压的原因主要是需要对铅酸电池充电,因此有可能会根据铅酸电池的电压而改变DC/DC转换器的输出电压。若是数位电路,可以通过数位控​​制的PWM(脉宽调变)信号来改变输出电压的设定。


在电动汽车中,特别是混​​合动力类型,动力舱的空间是极为紧凑的,DC转换器的体积也是衡量标准。所以若采用体积小的电源管理模组,对于整体设计来说,一则解决空间问题,二则对于散热与重量也有相当的助益。


Vicor商务拓展经理陈历忠也补充说明谈到,他同意,在汽车电源设计中,客户还是会有稳压电路的需求,如果在前级电路就采用了非稳压方案,后级还将增加稳压与降压电路,貌似增加了系统复杂度和成本,但是Vicor所提供的母线转换器能达到极高的转换效率,而且实现了电气隔离,后级只需要非隔离降压即可,其实现难度和成本并不高。


结论

虽然电动车这几年的火热发展,可以归纳于诸多技术或是环境瓶颈被逐渐突破,但若要进一步有所成长,关键还是动力来源本身,是否可以提供更长时间、更舒适与更佳的操作体验?不论是数位抑或是类比电路控制,都不难看出彼此之间必须相互配合,才能找出最佳的解答。而性价比与系统体积等基本要素的最佳化,似乎也是电动车BMS无法摆脱的宿命。


@刊头图片(Source:www.abb.com)


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