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電動車崛起力道強勁 BMS肩負安全把關重任
確保安全並高效運行

【作者: 王岫晨】   2019年05月16日 星期四

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EV電池組的每個電池,都必須單獨監控其安全性並確保其高效運行,這就需要一個特殊的專用系統,稱為電池管理系統(BMS)。


亨利福特於1903年創建福特汽車公司,在當時很少有人買得起汽車。它們製造成本高昂,維修費用昂貴且運行複雜。在當時,汽車仍然是少數特權階層的奢侈品。直到,福特巧妙地使用內燃機,新的製造技術和廉價的維修設計,才能將奢侈品推向主流,永遠改變了一般人的交通方式。


在時間經過了116年後,今天的人們又面臨了相同的問題。隨著油價飆升,資源萎縮和環境壓力的不斷增加,世界各地的政府和民眾正在尋求更好、更清潔、更有效的汽油替代品,這一點不足為奇。目前許多歐洲國家都已經開始推動甚至已經立法禁止銷售新的非電動汽車。這使電動汽車(EV)行業成為今日最令人興奮的領域之一。


2019年電動車市場發展

但就像回到一個多世紀以前的那些早期汽車一樣,為大眾市場生產電動汽車帶來了一大堆挑戰。推出內燃機(ICE)的可行替代品並不容易。技術的突破不斷開啟了新的可能性。但是,將這些突破轉化為電機、控制技術和電池,改進和完善的模型,以及鼓勵消費者廣泛採用,將需要更多的時間。



圖一 : 在設計BMS時需要考慮很多因素。完整的考慮因素取決於使用BMS時,確切的最終應用。
圖一 : 在設計BMS時需要考慮很多因素。完整的考慮因素取決於使用BMS時,確切的最終應用。

我們可以先來觀察2019年的電動車市場會有什麼變化。在今年,預期電動汽車的電池尺寸將越來越小。雖然具有更大電池和更長行駛距離的電動汽車帶來更大的行動便利性,但針對城市駕駛的小型電池電動汽車市場卻也正在增加當中。在未來,隨著充電點數量的增加,行駛距離更短的城市EV將更為普遍。


此外,政府也一直在補貼電動汽車銷售價格以刺激市場。而消費者也期待加油站成為電力供應站,例如在汽油加油機附近安裝快速充電樁。這也意味著他們必須為駕駛員在充電期間提供一些娛樂,無論是喝咖啡、看電視還是購物等。


而在2019年,還將對電動車充電器進行更嚴格的管理,並讓充電器提供更高質量的電力和更安全的功能標準。最終將要求充電器允許負載控制,確保電網能夠滿足充電的高需求。而隨著電池價格的下降,更高的產量和更高的能量密度,也提供了更安全與更長久的駕馭距離。


為什麼需要電池管理系統(BMS)?

鋰離子電池因其高電荷密度和較低的重量,而被證明是電動汽車製造商感興趣的電池。鋰離子電池的特性是尺寸很大,而性質上也較為不穩定。非常重要的是,在任何需要監控其電壓和電流的情況下,這些電池不應發生過充電或放電不足的狀況。只是這個過程最困難的地方在於,透過很多電池組合在一起形成的EV電池組,每個電池都必須單獨監控其安全性並確保其高效運行,這就需要一個特殊的專用系統,稱為電池管理系統(BMS)。



圖二 :  BMS的主要功能是將鋰電池維持在安全工作電壓內。
圖二 : BMS的主要功能是將鋰電池維持在安全工作電壓內。

同樣的,為了從電池組獲得最大電源效率,我們應該在相同的電壓下,同時對所有電池完全充電和放電,而這就再次需要透過BMS。此外,BMS還將肩負起許多其他的功能。


BMS設計考慮因素

在設計BMS時需要考慮很多因素。完整的考慮因素取決於使用BMS時,確切的最終應用。除了EV的BMS之外,還可以應用在任何採用鋰電池組的地方,例如太陽能電池板陣列、風車、電力牆等。無論應用為何,BMS設計都應考慮一些重要因素。


放電控制

BMS的主要功能是將鋰電池維持在安全工作電壓內。例如,典型的18650鋰電池的欠壓額定值約為3V。BMS有責任確保電池組中的所有電池都不會在3V以下放電。


充電控制

除了放電,充電過程也應由BMS監控。大多數電池在充電不當時,往往會受到損壞或壽命縮短。對於鋰電池充電器所使用的充電器來說分為兩級,第一級被稱為恆流(CC) ,在此期間充電器輸出恆定電流對電池進行充電。當電池接近滿時,第二級稱為恆壓(CV)階段,在該階段期間以非常低的電流向電池提供恆定電壓。BMS應確保充電期間的電壓和電流不超過可滲透限制,以免電池過充或快速充電。一般來說,最大允許充電電壓和充電電流,都可在電池的數據表中找到。


充電狀態

這是EV的燃料指標,它實際上告訴我們電池組的電池容量百分比。就像我們手機裡的一樣。但它並不像聽起來那麼容易。系統需隨時監控電池組的電壓和充放電電流,以預測電池的容量。一旦測量到電壓和電流,就會有很多算法可用於計算電池組的容量。最常用的方法如庫侖計數法。


健康狀況

電池健康狀態通常需要知道兩點,一是電池充電狀況(SOC),這表示目前電池的充電比率,完全充飽的電池的充電狀況為100%。在電池使用後或是長時間放置後都會造成電池的開路電壓下降,因此充電狀況的百分比數值也會跟著下降。此外,電池健康狀況(SOH)則是 衡量電池的起使電流輸出能力的指標,全新的電池可以達到100%的SOH電池健康狀況。


電池的容量不僅取決於其電壓和電流曲線,還取決於其年齡和工作溫度。SOH測量根據其使用歷史,可告訴我們電池的使用年限和預期壽命週期。通過這種方式,我們可以知道EV的里程數(完全充電後覆蓋的距離)會隨著電池老化而減少多少,並且我們也可以知道何時應該更換電池組。


電池平衡

BMS的另一個重要功能是維持電池間的平衡。例如,在一組串聯連接的4個電池中,所有四個電池的電壓應始終相等。如果一個電池比另一個電池的電壓低或高,它將影響整個電池組,例如一個電池處於3.5V而另外三個電池處於4V。在充電期間,這三個電池將達到4.2V而另一個電池剛剛達到3.7V。相同的,該電池將是第一個放電至3V的電池。這樣一來,由於該單電池的狀況不同,電池組中的所有其他電池將不能用於其最大電位,進而影響效率。


為了解決這個問題,BMS必須實現一種稱為單元平衡的方法。有許多類型的電池平衡技術,但常用的是主動與被動型的電池平衡。在被動平衡中,其想法是具有過電壓的電池將透過類似電阻器的負載強制放電,以達到其他電池的電壓值。至於主動平衡期間,較強的電池將用於給較弱的電池充電,以使其電位均衡。


熱控制

鋰電池組的壽命和效率有很大程度取決於工作溫度。與正常室溫下相比,電池在炎熱氣候時放電更快。除此之外,高電流的消耗將進一步增加溫度。這需要電池組中的熱系統(主要是油)來加以調控。這種熱系統主要作用在於降低溫度,但如果需要,也應該能夠在寒冷氣候下提高溫度。BMS負責測量每個電池溫度,並相對應地控制熱系統以維持電池組的整體溫度。


更低的系統功耗


圖三 :  BMS身為電池組和EV的引擎控制器(ECU)之間的橋樑,必須將BMS收集的所有信息發送到ECU,以顯示在儀表板上或儀表板上。
圖三 : BMS身為電池組和EV的引擎控制器(ECU)之間的橋樑,必須將BMS收集的所有信息發送到ECU,以顯示在儀表板上或儀表板上。

即使汽車正在運行中、充電中或處於待機模式,BMS也應處於活動狀態並持續運行。這樣的狀況使得BMS電路必須被連續供電,因此BMS系統必須消耗非常少的功率,才不會耗費太多電力。當EV未充電數週或數月時,BMS和其他電路往往會自行耗盡電池,最終需要在下次使用前進行重新充電。這樣的問題即使在特斯拉這種知名車款上,仍然很常見。


電流隔離

BMS身為電池組和EV的引擎控制器(ECU)之間的橋樑,必須將BMS收集的所有信息發送到ECU,以顯示在儀表板上或儀表板上。因此,BMS和ECU應該透過CAN,或LIN總線等標準協議來持續進行通訊。BMS設計也必須能夠在電池組和ECU之間提供電流隔離。


數據記錄

由於BMS必須存儲大量數據,因此擁有更大的記憶庫非常重要。只有在知道電池的充電歷史時,才能計算出電池的健康狀態。因此,BMS必須從安裝之日起,就追蹤電池組的充電週期和充電時間,這將有助於為工程師提供售後服務或分析EV的充電問題。


精確度

當電池充電或放電時,電壓會逐漸增加或減少。不幸的是,鋰電池的放電曲線(電壓對比時間)具有平坦區域,因此電壓的變化非常小,必須準確測量此變化。設計良好的BMS可以具有達到±0.2mV的精度,最小精度至少需要1~2mV。而通常在此過程中會使用16位元ADC。


結語


圖四 : 針對城市駕駛的小型電池電動汽車市場正在增加當中。未來行駛距離更短的城市EV將更為普遍。
圖四 : 針對城市駕駛的小型電池電動汽車市場正在增加當中。未來行駛距離更短的城市EV將更為普遍。

值得注意的是,電動汽車逐漸朝向簡單化設計,其結果將能驅動各不同面向的成本降低,一個明顯的例子就是電池本身。較小的電池意味著更輕的汽車重量,這將使得汽車底盤、制動器、充電技術、電機功率等的額外成本獲得節省。小容量的電動汽車將有助於降低充電技術的電力耗損,並且更容易平衡充電需求。搭配更有效率的BMS系統,將能讓電動車上路行駛更加安全。


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