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電池管理晶片如何影響電動車性能
電壓與電流監控成重要關鍵

【作者: Stefano Zanella】   2016年03月21日 星期一

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從4節串聯(輕度混合動力汽車),到12-16節串聯電池(中度混合動力汽車),直到96節串聯電池(電動車和混合動力汽車),根據汽車技術規格的不同,會有一節或很多節並聯電池。然而,從晶片的角度出發,串聯電池的數量才是關鍵點,並聯電池數量可根據需要隨意確定。電池管理系統 (BMS) 是駕駛員、汽車和電池之間的重要樞紐。


BMS包含監控和保護電池的電子元件。我經常對這些電池管理電子元件的性能感到好奇,特別是電動車的電源管理晶片的性能到底是什麼情形。實際上,正是優異的BMS電源管理晶片讓我的汽車能夠正常行駛,同時提升了車輛的性能。作為駕駛員,我急需知道電池的續航里程,以及汽車充電完成的時間。我還想知道,我的電池狀態是不是良好。我也很樂意知道我的汽車可以快速加速。



圖1
圖1

電壓與電流監控

續航里程是另外一個瞭解電池剩餘電荷的方法,這一參數被稱為電荷狀態 (State of charge;SoC)。有手機的人都知道,電池的容量會隨著時間的推移而逐漸下降。一個電池在一個指定時間點上能夠保存的最大電荷量被稱為健康狀態( State of health,SoH)。計算SoH和SoC的方法有很多,而這些方法都會計算電池電壓、電池溫度和電池組電流。


某些鋰離子化學電池,比如說磷酸鋰鐵電池,SoC相對於電池電壓的曲線非常平緩。電池電壓中的一個小誤差就有可能導致SoC估算中的巨大誤差。



圖2 :  一個LiFEPO4電池的SoC曲線
圖2 : 一個LiFEPO4電池的SoC曲線

監控需要測量電壓、電流和溫度。以TI(德州儀器)近期所推出的監控晶片為例,對於大約4.5V的電池電壓,它在攝氏0°度至65度的溫度範圍內的準確度值為2mV,在-40°C至105°C溫度範圍內的準確度值為4mV,在通常情況下,電池電壓精確度在很大程度上取決於輸入電壓。請注意,我在這裡討論的是真正的準確度,這個準確度包括所有由回流焊和前幾個熱迴圈所導致的偏移。有時候,資料表的技術規格會與你在電路板上看到的值大不相同。電動車的加速也與SoC密切相關,由於電池電壓下降,所以電池能夠產生的最大功率也下降了。任一SoC上的過多電流,特別是在處於低SoC時,都會加速電池的老化。


當我駕車時,我對汽車電池組內所具有的技術水準而感到高興。

我也很樂意駕駛一輛具有更好、更精確電池管理IC的汽車駛向未來。

安全性議題

到目前為止,電池在汽車中的應用已經有150年的歷史了,所以汽車廠商在這方面也提供不少幫助。他們是如何做到的呢?即讓汽車停止充電和放電的時間恰到好處。通常情況下,一個BMS具有一個單獨的保護器,這是一組比較器,它們檢查每節電池的電壓,並且確保電池電壓在正確的範圍內。如果監控器或保護器檢測到一節電池處於過壓閥值上或者欠壓狀態,那麼充電或放電將終止。如果監控器或保護器少報電壓,另外一個將停止充電放電。


事實上,雖然故障很少發生,但是大多數汽車廠商都將他們的大部分時間花費在汽車的安全性開發上。這也是為什麼一個車用晶片具有如此多的自我診斷特性,並且一個監控器能夠診斷絕大部分系統的原因。優異的車用晶片能夠檢查線路斷開,同時具有內建自我檢測以驗證已定義的內部功能,並且能夠以多種方法在安全性方面為用戶提供幫助。



圖3
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電動車系統成本

與我對電動汽車的鍾愛程度一樣,我也很希望電動汽車能夠再便宜一些。很明顯的,電池占了汽車成本很大的部分,而減少成本最簡單的方法就是花少一點錢做多一點事。在電池應用領域中,這意味著更小的保護帶,反之,也就表示需要更多精確的監控器和保護器。一般情況下,保護器不如監控器精確,所以,實際上是保護器的準確性拉高了保護帶數量。


主動和被動電池平衡是另外一個重要特性,如果沒有電池平衡,大容量電池會很快失效,當第一節電池沒電時,放電驅動停止,當第一節電池充滿時,充電停止。在沒有平衡的情況下,第一節完全放電的電池與第一個充滿電的電池互不相干;電池平衡減少了這兩節電池之間的電荷差異。被動平衡在這方面的表現很不錯,你可以拿一個不可用的電池組,並且對其進行一次平衡以消除漂移效應。然而,隨著時間的推移,電池容量能夠保持的電荷數量也會發生改變,容量擴散會隨著時間的推移變得越來越大。


還有另外幾個方法能夠使汽車廠商降低成本,第一代系統通常使用控制器區域網路 (CAN) 晶片和隔離器,用於與主機控制器通訊,這是比較昂貴的通訊方式。新一代的晶片擁有經改良的通訊方式,在無需隔離器的情況下,透過隔離式差分通用非同步收發傳輸器 (UART)來完成通訊,而數個TI的bq76PL455A-Q1能夠以菊花鍊配置進行通訊,價格低廉的電容器能夠幫助你實現隔離。



圖4
圖4

整合的監控器和保護器,及每個IC能夠監控越來越多的電池數量也有助於進一步降低成本。以TI現有的解決方案而言,能夠監控多達16節電池,並且具有一個整合式保護器,進而大幅降低了系統成本,特別是對於48V中度混合動力系統,因為單一晶片能夠替代多達4個晶片、2個12節監控器和2個12節保護器。


結論

由此可見,若要擁有良好的電動車駕駛體驗,BMS的電源管理晶片的表現,有著不可或缺的地位。然而,由於串聯電池數量的不同,牽動了對應的晶片數量多寡與否,優異的BMS電源管理晶片必須能廣泛支援不同電動車的功率等級,同時扮演好電壓與電流監控的角色,才能為駕駛帶來良好的駕駛體驗與延長電池的壽命。


(本文作者現任職於TI行銷和業務開發總監)


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