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BMS電池管理加速奔馳快感!
看見電動車的心跳!

【作者: 鍾榮峰】   2010年03月09日 星期二

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在節能環保的趨勢下,純電動車和新能源汽車正逐漸興起,純電動車(Electric Vehicle;EV)更成為各國發展新能源汽車時備受矚目的焦點。根據市調機構Pike Research的預測,到2015年美國市場將會有100萬個充電站,純電動車市場規模將超過100萬輛,2020年時甚至上看500萬輛。也因此,純電動車相關電子元件的市場需求,也會不斷增加。



純電動車哪裡不一樣?


純電動車關鍵零組件主要包括鋰電池、電池控制模組、馬達、馬達電力控制、煞車電力回收等關鍵技術。其中,以鋰電池的成本最高,油電混合動力(HEV)和插電式油電混合動力(PHEV)的電池成本預估約佔整車成本的40~50,而純電動車的電池成本就高達60%,其重要性可見一斑。



此外,純電動車還需要能夠承受高溫、高電壓的超高效率馬達驅動控制器,要能夠耐受200~300伏特的高電壓,因此直流電源控制和充放電系統控制便非常重要。充放電機與通訊介面及軟體之間的整合、產品的安全性、不同電池的充放電特性、電源管理系統的發展,這些都牽涉到電機、化學、自動控制、軟體編寫、通訊技術等不同領域的專業。



正因為純電動車結合了電池、再生制動系統(Regenerative braking)和燃燒能源技術,並且透過高壓電源運作,因此如何處理純電動車所需的高電壓是蠻大的挑戰。所以在研發設備上,也需要數百伏特的動力電池組實驗設備以及電源管理系統的測試設備等。



《圖一 多采多姿的純電動車款已在市場上陸續嶄露頭角》

資料來源:www.e3car.eu


電源IC是最大受益者


從汽車電子的角度來看,純電動車趨勢也正在催化車用電子應用的普及度。一般而言,微控制器(MCU)和電源IC(Power IC)是整體汽車電子晶片應用的前兩大,而純電動車內部更需要仰賴電源IC將電力分配給純電動車內部系統,因此電源IC的比例會更高。因此純電動車將逐步改變車用IC在汽車中的比例結構,估計從一般普通汽車的13.2%上升到47%。因此車用電源IC廠商會是這波新能源汽車浪潮中最大的受益者。據估計今年全球電源IC市場可望大幅成長13.6%達到21.7億美元,可恢復2007年的水準。



電源管理設計是純電動車的神經系統


純電動車的電源管理設計,更是攸關純電動車效能提升的重要關鍵,這就好像人體的神經系統。新一代純電動車正在帶動出許多新興的電源IC應用需求,包括通常需要上百路電池單體檢測管理的多路電池管理晶片、多路電池電壓均衡控制、高電壓監控、大電池檢測、大型功率半導體元件等等,以便針對複雜的電池系統進行計量管理。



這些電源IC和模組的關鍵作用,便是延長電動車每次充電後的行駛距離,並且減輕電池、充電元件及輸配電線網路的重量和體積,同時提升功率轉換器效能。電動車電源管理晶片的設計目的,在於降低汽車電瓶的負載,提供安全的失效保護性能:包括穩定電壓電流、短路保護、車規溫度保護等。



因此純電動車不僅需要高功率的鋰電池組,還需要注意容量與壽命的材料搭配、快速充電對迴圈次數的影響、電池電源平衡輸出達到一致性等,另外還包括電動車全球標準的建立,通訊介面的統一等問題。



《圖二 電動車電源管理與制動系統架構示意圖》

資料來源:意法半導體


純電動車的心臟:BMS電池管理系統


目前對於純電動車最主要的工作,應該是如何提高電池能量密度和提升電池發電效能,並且架構出純電動車電池能與其他零配件完整搭配的一套系統運作。因為純電動車是完全依靠電池發電作為動力來源,因此電動車電池電源如何有效平衡輸出,一直是純電動車電源管理設計的重點項目,此外電池的安全性和耐久性也需一併考慮。這時電池管理系統(Battery Management System;BMS)的設計便非常重要。電池管理系統BMS直接檢測及管理純電動車的電池運行的全部過程,包括電池充放電過程、電池溫度、電量估計、單體電池間的均衡、電池故障診斷等各方面。



電池充放電量攸關續航力


電動車的BMS主要是以電池計量單元和充電管理單元所組成,BMS的準確度關係到電池組的總發電量,也決定純電動車行駛距離的長短。其中,電池計量管理單元的功能是統計電池的充放電量。由於電池組是大量電池單元串聯而成,因此在普通充電或動能回收充電狀態下,需要有一套系統,來確保每一個電池單元充電以後的電壓不超過其設定的最高值,避免電池的熱失效問題,才能有效提升電池使用效能,資訊主要還是透過CAN匯流排傳送給整車管理系統。



《圖三 電池管理系統BMS就像是純電動車的心臟,管理電池的充放電量和監測電池效能》


監測管理確保不熱過頭


而充電管理單元功能則主要是監測電池的溫度、充電和放電效果。這是對電池組的每一個電池單元進行溫度、電壓、電流、自放電均衡電壓、資料發送等監測功能,溫度控制單元是利用冷卻液來保持電池組的工作溫度。充電管理單元依據動、靜態電池單元參數的變化,提出狀況報告和建議,並將電池組的資料記錄保存或發送給整車管理系統。



《圖四 純電動車和一般汽油汽車效能比較》


大廠紛紛卡位 電源管理方案一一出爐


這兩方面的技術基本上都掌握在國外大廠,相關廠商也紛紛卡位純電動車領域。德州儀器(TI)是採用將高電量電池的能量傳輸給低電量電池、而不是高電量電池放電至最低電量的POWERPump專利技術方式,在DC/CD轉換器設置中使用一個小型電感和電晶體,便可提升至85%的效率。美國國家半導體(NS)則是透過不同模組的電池串聯架構,經由適當的迴路設計,達到電源輸出一致的效果,讓電源模組輸出更加平衡。此一電池電源管理方案能讓大型電池組(pack)輸出效能達到1kV pack,並且具備完整的性能與健康診斷功能,不僅可支援標準化CAN車用網路介面,亦可支援雙重保護與安全性傳輸層設計。



另一方面,凌力爾特(Linear)則已經推出下一代整合油電混合(HEV)和電動車電池管理系統IC,亦採用冗餘系統監視電路,能夠監視12個串聯電池組電池的過壓和欠壓情況,可以菊鏈式連接多個IC,提供一種監視長串串聯電池中每節電池的模式。此外,亞德諾(ADI)的整合型隔離電源數位隔離器及相關隔離式DC/DC轉換器技術,可讓電力能夠被轉換而穿越隔離障壁,藉此確保電池的監測功能不會汲取電池的電力,可廣泛應用在油電混合車和電動車領域。至於英飛凌(Infineon)也正藉由主導所謂E3Car計畫(Energy Efficient Electrical Car)的機會,研發控制電動車輸配電的半導體組件及電源模組,除了用於車上最耗電的動力系統,也將用於功率轉換器與鋰電池。



台灣在電動車電池管理系統的研發能力也不落人後。台灣台泥集團旗下的能元科技,也與工研院展開合作計畫,針對電動車用大型電池組(Pack)與電池管理系統技術進行研發;台達電所開發的電動車電力動力系統,也包含了完整的電池管理系統。



(表一) 台灣純電動車零配件供應鏈發展項目與代表廠商一覽表























































主要發展項目

代表廠商

電動車整合開發

華創車電(裕隆)、必翔、台灣車輛研發聯盟(TARC)

電動馬達

東元、台達電、士林電機、富田電機、公準精密、六逸科技

馬達驅動器

台達電、致茂

鋰電池

能元(台泥)、興能、必翔、台灣超能源、量威電池、動能、有量、威力能源、蘭陽科技、金山電能

電源轉換系統

台達電、致茂電子、乾坤

電池正極材料

長園科技(台塑)、立凱、尚志(大同)、宏瀨

電池負極材料

中碳

電池電解液

台塑

電池芯

必翔、能元、有量、金山電能

電池模組

新普(鴻海)、順達(台積電)、統振、能元

電池模組封包

必翔、能元、有量、瑞德、達振

電池管理系統

台達電、致茂、敦揚(光寶)




從整車電源管理角度才能打通任督二脈


電池計量和充電管理單元的設計需要藉由整車控制的視野和角度來整合,電池廠、計量和充電管理單位、整車廠必須營造出良好的溝通環境。目前純電動車在電池標準的不一致,便是計量和充電管理產品會面臨的主要障礙。另外,電源線組的有效管理也非常重要,電源線組是電動車在家用或公用充電站充電的關鍵元件。電源線組的安全測試項目主要是針對固定電線元件和可擕式電線元件,並包括插頭、電源線、人體保護迴路、電動車電纜和汽車連接器等,必須通過相關過載、電擊和燃燒測試等等。



通過標準測試方可見真章


電池管理的電子元件當然會增加電池組的成本,但相關成本可藉由使用更少系統搭配架構的低成本電池,通過使用更多的電子元件來彌補電池生產的差異,並獲得更好的電池與系統之間的搭配運作。電池管理系統(BMS)的測量準確度要越來越高,才能精確地計算出電動車的行駛距離。因此設計出一套電動車電源流量的模擬系統平台便因應而生,這可提供整車車廠針對純電動車的內部電源流量與最佳化控制參數的判斷依據。同時,電動車電源IC元件還要通過美國汽車電子協會AEC-Q100標準諸如環境壓力加速、使用壽命模擬、電氣特性確認等測試驗證過程,驗證時程較長而繁複,因此電源IC廠商都會及早因應。



(表二) 目前全球主要電動車電池製造大廠及其股東一覽表















































主要電池廠商

主要股東

Panasonic EV Energy(PEVE)

Toyota 60%, Panasonic 40%

AESC

Nissan Motors 51%, NEC Co. 42%, NEC-Tokin 7%

Lithium Energy Japan

GS Yuasa 51%, Mitsubishi 34%, Mitsubishi Motors 15%

LG Chem.

LG Holdings 30.1%

Hitachi Vehicle Energy

Hitachi 64.9%, Hitachi Maxell 10%

Johnson Controls-Saft Advanced Power Solutions

Cont. 51%, Saft 49%

比亞迪(BYD)

MidAmerican Energy 39.6%

EnerDel

Ener1 100%

SB Limotive

Samsung SDI 50%, Bosch 50%

Blue Energy

GS Yuasa 51%, Honda 49%




電池管理系統化是首要之務


當然,純電動車在技術上仍有一些問題尚待克服,這包括製造成本過高、行駛距離續航力仍須改善、電池充電站不夠普及、電池充電時間過長、電池壽命短、電池安全性仍有待加強等等。因此目前首要之務,便是強化電池的電源管理效能,並且讓電池與純電動車其他零配件的整合搭配更為順暢,純電動車的商業化路途,才會越開越平坦。



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