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電池管理系統

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精度/穩定/壽命兼顧 電動車首重電池管理與壽命

目前電池市場的推動力不只是成本,還有對續航里程更長的車輛、更短的充電時間、以及更高功能安全的需求。為了滿足這些嚴格的電池管理系統要求,必須遵守最高標準並將偏差降至最低。 由於電動車輛40%的價格取決於電池,因此性能和電池壽命已成為EV品牌取得成功的主要因素。電池管理系統(BMS)供應商,與客戶合作,尋找最佳關鍵流程來監控和管理電動車輛電池,並確保其安全性、生產力和使用壽命。 維持BMS運作為關鍵目標 BMS能夠密切監視、控制和分配整個電池系統在使用壽命期間的充電和放電。精準監控電流和電壓分布至關重要,因為電池過度充電可能會引起火災或爆炸,而充電不足(或完全放電)則會導致電池失效。電池管理系統的品質直接影響EV每次充電所能行駛的里程數。而優質的電池管理系統能夠大幅延長電池的整體使用壽命,進而降低總體擁有成本。 在這種情況下,價格水準變得不那麼重要,而長期價值則成為關鍵指標。這是因為使用者力求在電池的整個使用壽命內獲得更好的性能。「談到精度,以及車輛整個使用壽命內的精度,不會有任何取捨。」如ADI BMS總經理Mike Kultgen便表示:「精度越高,就越能更良好地瞭解電池的狀態,從中獲取的容量就越多,電池組的運作也就越可靠。」思考電池組的投資,可將BMS的性能考慮在內,而隨著汽車設計者顧慮保固和電池組的生命週期成本,電池組性能的重要性也就更加明顯。 電池管理需全天候監控 電池研發單位對設計團隊提出了極高的要求,因為他們需要考慮一系列的優先事項,包括價格、可靠性和安全性。在處理提供48V到800V電壓的EV系統時,不能冒任何風險。 為了在駕駛員踩下踏板的瞬間提供超過100千瓦的電能,電池系統必須在數百伏特的電壓下才能高效工作。然而,鋰電池只能提供幾伏特的電壓。為了獲得足夠的功率,需要將大量電池串聯在一起形成很長的電池堆疊。通常電動車可能使用100個獨立的電池,在電池堆疊的頂部提供350伏特的電壓。但這帶來了一些挑戰。 在長長的電池堆疊中,如果有一個電池失效,實際上相當於所有的電池都失效了。因此需要監控和管理所有電池,為電池充電、放電,且在車輛生命週期的每一天都要如此。鋰電池不能在極限充放電情況下工作,而必須保持在非常特定的範圍內,例如15%到85%,否則電池性能就會下降。 BMS確保電源狀態穩定 在電源的監控與管理方面,其中ADI的BMS可從電池組生產到報廢的整個週期中,提供精確的電池測量資訊。電子設備直接連接到電池堆疊中的每個電池,報告與電池電流對應的電壓和溫度。系統可提供充電狀態和健康狀態。每個電池的電流和溫度必須透過中央處理器的複雜演算法進行監控。ADI內建通訊介面,同時支援模組化設計(架構),並且完全可彈性擴展,適用於不同的客戶群體。 ADI BMS總經理Mike Kultgen表示:「BMS對電池進行持續監控,能夠隨時在各種溫度和工作條件下提供可靠的測量精度。系統知道每時每刻的狀況,並且高度依賴從ADI晶片接收到的資訊。」 BMS精度/可靠/穩定創造品牌可信價值 與電池管理系統專家如ADI密切合作,可以接觸到種類多樣的元件和產品。他們為OEM廠商提供人們的系統級專業知識、深厚的領域知識以及多年的BMS實際設計經驗。原始設備製造商則可以提高每次充電行駛里程效率、延長電池使用壽命、確保安全性,並提高品牌信任度。 ADI AUTG副總裁Patrick Morgan表示:「客戶告訴我們,使用產品時需要信任產品,因此我們在他們的場地或我們的工廠舉辦技術高峰會,並邀請關鍵設計人員和應用工程師與他們的團隊交流,花一兩天的時間介紹發展規畫,客戶需要解決的問題,然後討論如何解決他們的特定問題。透過一連串的專注合作來建立信任。」 ADI應用經理Cuyler Latorraca亦補充:「曾有總部設在亞洲的客戶要求根據舊電池管理系統設計新的電池管理系統。研究了他們的想法、系統要求和操作環境之後發現,他們的接地方案導致系統測量存在誤差,這是業界常見的問題,最後我們採取措施消除該誤差。」 電池趨勢朝增加蓄電/減少重量與成本方向研發 ADI一個積體電路中有3至18顆電池,支援的電池數量具競爭優勢。ADI BMS市場經理Greg Zimmer表示:「高壓電池系統技術日新月異,廠商在增加容量、延長使用壽命方面承受著很大壓力。業界將如何實現這一目標?在打造能夠持續使用10年的電池的同時,如何從電池組中獲取更多電能、增加其續航里程、支援更快的充電,並開發集中式和模組化的設計?」 ADI與原始設備製造商合作,透過架構創新來改進功率密度、精度和重量等挑戰,而ADI第5代BMS可望在明年投入車輛生產。 BMS須滿足EV市場需求 電池管理系統須滿足EV市場對安全、高品質、高性能電池日益成長的需求,例如ADI即憑藉以下系統級經驗,以及多樣化的元件產品,提供多元選擇。 ・高精度和穩定性。 ・透過單一元件和簡化設計全面支援ASIL D。 ・高速、EMI可靠、電氣隔離、具有備援的低成本菊鍊,可因應故障情況。 ・產品安裝基礎雄厚,已有四代產品投入現場使用。 ・透過一系列BMS產品提供系統級解決方案。 在生產大量電池組的同時,也會產生大量可供回收利用的廢舊電池組。只要電池在整個生命週期中管理得當,則耗損並不意味著報廢。在考慮總體擁有成本時,必須將儲能裝置再用於車輛以外的其他用途(也稱為第二生命)考慮在內。 (本文作者為ADI BMS總經理)
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善用模擬工具 電動車BMS運作更順暢

電動運輸和分散式發電應用等工業電氣化都需要更多電池。這點對汽車和無人機等快速成長的運輸應用十分明顯,在蓄電與開發電動飛機方面也開始累積動能。這些電池並非獨立組件,而是存在更大系統裡的複雜零件,這些系統必須適當運作,才能確保安全和使用能源效率。電池管理系統(Battery Management Systems, BMS)包括硬體和嵌入式軟體,後者即時監控充電電池,在複雜應用時提供可靠電力。   根據Statista的預測,電動車(EV)的整體汽車市占率可望從2017年的1%成長到2025年的14%。各大車廠都正針對這個成長市場開發車輛。隨著車輛的電動化,多個電池組提供引擎、空調和車載資訊娛樂系統電力,監控和維持電池系統運作將成為關鍵的功能。工程師正在開發電池管理系統,確保這個複雜網路的順利運作,而這需要使用最先進的軟體工具。 快速製作BMS虛擬原型 模擬工具組合少不了 BMS是一種複雜、軟體驅動的電動車控制中心,負責監控電池電壓和溫度,並確保健康運作狀態、監控系統連線狀態、測量電流、計算充電狀態(State Of Charge, SOC)和健康狀態(State Of Health, SOH);平衡電池單元間的電力輸入和輸出;以及建立電池和動力總成(Powertrain)或充電系統的連結等功能。隨著未來有越來越多系統仰賴電池供電,對快速製作BMS虛擬原型而言,這些模擬工具組合是不可或缺的幫手。 整體而言,BMS獨立確保電動車在最佳效能狀況下順利安全運作。它將資源分配給最能有效利用的區域,並預先通知操作者潛在問題。在最壞的情況下,BMS可實體斷開系統中的電池,避免可能危及車輛乘員的災難性故障。 設計如此複雜的控制中心是一大挑戰。工程師在開發BMS時,廠商提供的模擬解決方案可全程幫助他們,甚至在運作環境下即時管理BMS。舉例來說,ANSYS的電池管理解決方案包括基於物理的模擬來開發一個系統層級的電池系統與BMS,須利用ANSYS Twin Builder、ANSYS medini analyze和ANSYS SCADE embedded code 。 ANSYS medini analyze根據不同產業的不同標準,進行重要安全分析,包括危害和可操作性分析(HAZOP)、故障樹分析(FTA)、失效模式與效應分析(FMEA),以及失效模式效應與診斷分析(FMEDA)。對車載系統而言,它會確認BMS軟體是否符合道路車輛ISO 26262功能安全標準。 安全分析的第一步是確認和描述BMS的功能和故障。一旦確認故障後,就能進行危害與風險分析(HARA),透過決定汽車安全完整性等級(ASIL)和對應的安全目標和安全需求,確認危害事件及其對安全的衝擊。BMS的部分功能需要嚴謹的開發過程,達ISO 26262的最高安全完整性等級ASIL D。此要求對於軟體安全需求十分嚴格。 BMS通常包括三大結構組件(圖1): .一組由數個電池單元組成的電池組 .一個開關箱 .一個電子控制單元(ECU),包括監控電池單元電壓、電流和溫度的軟體控制器。 圖1 以ANSYS Twin...
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布局自駕車/電動車市場 TI新款電池管理系統亮相

自駕車與電動車不斷發展,全球汽車產業在未來十年將發生顛覆性的轉變。同時,電動車電池需求也跟著水漲船高。因應此趨勢,德州儀器(TI)於2019台北國際車用電子展上推出最新的電池管理系統(BMS)參考設計,幫助促進電動車電池效能。 德州儀器類比應用經理林詠進指出,近年來,如何減少碳排放已儼然成為全球高度關注的議題,而各國政府也紛紛開始積極推動電動車的布局。TI創新的精巧電池管理解決方案,可提供全方位的熱能管理與安全保護,不僅具備減低碳排放、減輕重量、提高效能等諸多優勢,還能提升油電混合與電動車系統穩定性,進而帶來更長的行駛時間和距離,以及更安全的駕駛體驗。 此創新的電池管理系統(BMS)參考設計,可以擴充管理6~96組電池電路,依照客戶需求彈性調整,最高電壓可達1500Kv。此一BMS參考設計內含BQ79606-Q1精密電池監控與平衡器。工程師運用BMS參考設計後,可將電池監測器進行串聯配置(Daisy Chain),提供3S~378S、12V~1.5Kv鋰離子電池組準確又可靠的系統設計,進而縮短產品研發時間。 德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪也表示,在數位化、智慧化等趨勢持續推波下,以及全球節能減碳及環保意識抬頭等,展望2019年,包括自駕車(Autonomous Driving)、汽車電氣化技術(Vehicle Electrification)、未來駕駛座艙系統(Digital Cockpit)及車聯網(Connected Car)將是重塑汽車產業版圖的關鍵。因此,該公司未來會更深入與台灣在地廠商密切合作,提供高品質、高可靠度與高效率的先進駕駛輔助系統(ADAS)、車身電子元件與照明、混合式/電氣動力系統及車載資訊娛樂系統與儀錶板等車用解決方案,力促未來智慧駕駛與自駕車的發展。
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