BMS

電池供電類設備存在已久，然而自手機問世以來，由可充電電池供電的設備數量在過去二十年呈現出指數級成長。截至2018年，多種不同型號的手機、平板電腦、筆記型電腦和許多其他小型電器都在使用鋰電池。 對於所有可攜式設備而言，因為多數採用鋰電池供電，功耗成為產品開發的重要考量因素。硬體開發人員越來越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時，實現低功耗方案。軟體發展人員也以舊演算法為切入點，針對作業系統領域(即透過能量監測調度)和新興領域(例如機器學習)，研發新的功率監測方法，力求降低功耗。功率是指暫態消耗的能量。如公式所示，在電學中，功率等於暫態電壓與電流之積。功率單位為瓦特(W)，表示「焦耳每秒」。 P = V×I 能量等於功率與時間的乘積，電路消耗能量，電池則儲存能量。功率管理通常是指管理暫態電流和電壓，以滿足功率傳輸能力和負載條件。能量監測通常會提供有關能耗的資訊，進而協助開發人員進行電池管理和整體功率基準測試。透過專門設計的軟體(可根據特定負荷採取相應操作)監視能量時，即開始了主動能量管理。 主動能量管理可以基於預定義的設置自動進行，也可以在軟體啟動時手動進行，其作用是為用戶提供特定的建議。例如，大多數筆記型電腦在使用電池而不是交流電源運行時，處理器效能會自動降低，並且改用低功耗、低效能的整合圖形處理器，而不使用專用處理器。可以關閉筆記型電腦的一些周邊，以延長電池供電時間，而使用者也可能收到降低螢幕亮度或調暗鍵盤背光的通知。大多數智慧手機都提供各種節能選項，當電池電量降至特定水準時，主動能量管理便會提出使用節能選項的建議，包括關閉一些現有的網際網路連線、降低螢幕亮度等。 但類似情況並不限於電池供電設備。伺服器會仔細監測功耗和負荷水準，以確定是否可以完全停止或暫停某些服務。在虛擬伺服器中，可根據電流總用量和基於統計資訊預測的用量增加和縮減應用。對於這類伺服器，可以使用虛擬機器管理程式完全關閉某些虛擬機器。進行除錯時，也可以使用主動能量管理。能量監測可提供非常有效的資訊，用以確定整個系統或部分系統是否在界定範圍內運行。 用於測量直流功率和能量的電路 如前文所述，電功率是電壓與電流的乘積。要精確測量功率，需要對電壓和電流進行精準測量。在一定時段內測量功率並將結果累加，即得到能量。功耗在大多數情況下都不是恆定值，因此，必須使用一個選定測量頻寬，在此範圍內量測電壓和電流。直流電壓測量電路的一個典型範例是圖1左側所示的簡單分壓器和圖1右側所示的緩衝分壓器。這兩個電路都可以透過適當的校準提供高精度測量結果，儘管帶緩衝的分壓器比不帶緩衝的分壓器價格昂貴，但前者通常功耗更低，尤其適合測量極低的直流訊號。 雖然借助霍爾效應也可以測量電流(包括直流電流)，但本文側重於使用分流電阻測量直流電流，因為後者更常用而且費用更低。分流電阻是一個低阻值電阻，與電路串聯。電流流經分流電阻時，分流電阻兩端會產生一個小的壓差。該壓差與電流成正比，如公式所示，並且通常使用運算放大器進行放大。 VDROP=RSHUNT×I 由於分流電阻與電路的其餘部分串聯，因此可以連接在任意一側：上橋臂(分流電阻的一個端子直接連接匯流排電壓)，或者下橋臂(分流電阻的一個端子接地)，如圖2。在這兩種情況下，分流電阻都會出現一個小的壓差，電路的總電壓會降低。但是，分流電阻的連接位置會受到一些影響。 如果分流電阻放在下橋臂(圖2右側)，其兩端的電壓將直接接地。由於分流電阻通常很小，其兩端的壓差也很小，因此電流測量電路使用便宜的低壓運算放大器即可非常方便地放大壓差。這對於縮減成本很有幫助。但下橋臂分流有一個明顯的不足，即整個電路不再直接接地，而是連接高於接地端電壓的位置。分流電阻兩端的壓差通常以毫伏計。 如果將分流電阻連接在上橋臂(圖2左側)，則電路直接接地，可消除地彈反射效應。如果要對電路進行精確測量或必須提供精確的輸出，則應選用此連接方法。此方法的唯一缺點是需要使用電壓更高的差分運算放大器電路，並且視運算放大器的頻寬而定，費用也可能會增加。 儘管電壓、電流甚至功率本身都可以透過類比電路輕鬆測量，而且成本很低，但能量測量卻需要使用更複雜的電路來實現。然而，傳統的能量測量方法是使用類比電路測量電壓和電流，然後使用類比數位轉換器(ADC)將類比訊號轉換為數位訊號，將資料輸出到微控制器。微控制器的作用是對訊號隨時間累加的功率進行採樣，進而實現能量測量，測量能量的典型電路如圖3所示。在測量電路中增加微控制器既有優點也有缺點。一方面，在演算法計算、監視不同行為和進行更詳細的報告方面具有很大的靈活性，例如每小時、每天等。此外，微控制器的作用不僅限於能量測量，還可以觸發事件、運行自訂狀態機或滿足工程師的任何需求。而如果系統原本就需要使用微控制器，則成本和物料清單(BOM)的增加並不是問題。另一方面，使用微控制器監測能量的缺點則是測量系統的總功耗、繁複的程式開發工作和開銷成本都會增加，而且視精度要求而定，有時可能還需要外部ADC。 多年來，隨著業界對直流能量監測功能的需求不斷成長，多種面向此類應用的積體電路相繼問世。例如Microchip的PAC1934。此類積體電路只需使用分流電阻作為外部元件，即可同時採樣4個通道，基本電路圖如圖4所示。電路中整合了運算放大器、ADC、算數運算邏輯、記憶體和用於連接系統的標準介面(通常為I2C或SPI)。與傳統方法相比，使用積體電路的優勢在成本方面尤為明顯，因為在一個積體電路中整合了能量測量所需的一切，使BOM和PCB尺寸顯著降低。 主動能量監測的優勢 憑藉適合大多數應用的靈活配置，專用積體電路能夠以極低的功耗在長時段內累加功率。通常功率取樣速率最低為每秒8次採樣，最高可達1 KSPS。例如，PAC1934以8 SPS運行時，可以累加超過36小時的功率，並且電流小於16μA，同時4個通道全部有效且以16位元的解析度運行，無需軟體干預。此方法允許取樣速率動態變化，進而可以擴大應用範圍。例如在標準筆記型電腦中使用積體電路監測電源軌。當筆記型電腦處於運行和活動狀態時，能夠以1024 SPS的取樣速率進行監測，而當筆記型電腦處於暫停狀態(Suspended State)時，監測速度可能降到8 SPS，因為在暫停狀態下，功耗不會有太大的波動。此外，降低取樣速率可以減少能量監測的功耗，而不會影響效能。 主動能量監測最常見的一個應用是電池電量計量。專用積體電路可監測電池的電壓和電流，隨時得知電池電量。更先進的電池電量計還可以檢測到電池遇到了特定問題，例如電量計可以追蹤電池的電壓與電量的關係，如果二者之間不再有對應關係，則代表電池的總容量因老化或其他因素而縮減。主動能量監測也是標準電池管理系統(BMS)的核心。BMS是多節電池組所使用的電路，負責對電池組進行安全充電和放電，並主動測量其電壓和電流，確保每節電池的參數都相同。BMS的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過高或過低時斷開電池組。主動能量監測的另一個常見應用是與智慧手機和平板電腦上的作業系統以及筆記型電腦、電腦和伺服器上的Linux或Microsoft Windows搭配使用。對於智慧手機和平板電腦，作業系統透過各種方法監測不同服務和應用程式所消耗的電量。在早期階段，系統不直接測量能量，而是使用表格資料獲取各個工作點的功耗，基於CPU、GPU和螢幕使用情況估算能量。估算出的能耗資料以統計資料的形式報告，便於使用者決定如何進一步操作設備。自Windows 8起，Microsoft在筆記型電腦和個人電腦中導入了能量估計引擎(Energy Estimation Engine, E3)。E3早期階段的工作原理與智慧手機中的估算演算法類似，能夠根據各種資源的使用情況(處理器、圖形、磁片、記憶體、網路和顯示器等)來估算每項任務的功耗，進而實現功耗追蹤。E3還導入了能量計量介面(EMI)，系統製造商可以透過該介面為系統添加實際可用的能量測量感測器，並進行相應聲明。如果加入了此類感測器，E3會利用這些感測器準確地測量功率和能量，而不是只進行估算。某些筆記型電腦製造商已在其產品中實現了這些功能。此外，過去還存在一些其他的方法，例如Sony在Vaio筆記型電腦中實現的能量監測，但沒有支援這些方法的作業系統，只有專用應用程式才能存取相關資料。Linux尚未提供與Microsoft E3相當的工具，但據報導稱，廠商已著手進行相關工作。工業I/O子系統支援在作業系統中加入各種感測器，為使用者空間的應用程式提供非常簡單且功能強大的介面(基於檔的介面)。然而，在本文撰寫之時，工業I/O子系統仍是核心的擴展，而不是默認Linux架構的組成部分。Linux還支援能量監測調度和智慧功率分配，這是一種用於嵌入式Linux領域的演算法，可協助系統決定如何調度不同的任務，同時考量散熱問題(能耗導致CPU/GPU發熱)。 能量測量積體電路的另一個值得關注的應用，是對USB功率和能量以及在伺服器應用程式中的使用情況進行監測，如本文第一部分所述。由於伺服器採用不間斷運行的設計，因此監測能耗有很多好處，例如可透過主動服務控制提高總體電源效率，能滿足越來越高的能效標準，允許系統管理員在伺服器的某些部分出現功耗異常(表示未來可能發生故障)時執行預測性維護。 透過IC整合能量監測功能 就能量監測的需求以及系統需要執行的其他功能而論，某些方法可能比其他方法更適用。如果嵌入式系統是根據自身用途專門構建，並且需要瞭解自身功耗或估算能耗，則傳統方法更適用。建議在微控制器中加入內部ADC，以便大幅縮減能量監測功能的成本。採用這種方法，只需要使用進行電壓和電流檢測的外部類比電路。如果需要非常高的測量精度而不計BOM成本和功耗，則傳統方法比積體電路更適用。 但在很多情況下，更適合採用積體電路方法。例如，如果想要在作業系統中整合能量測量，就適合採用積體電路方法，因為整合解決方案就是為解決這一問題而構建，透過適當的驅動程式，系統能自動識別出能量測量並知道如何操作。能量測量積體電路通常可以測量多個通道(進而監測多條匯流排)，因此，在需要監測大量匯流排時，整合解決方案具備明顯優勢。此外，同一條通信匯流排上可以使用多個積體電路(例如I2C或SPI)。另一個更適合採用整合解決方案的情形是，在系統處於功耗極低的睡眠模式或完全關閉的情況下，在較長的一段時間內測量能量。整合的能量監測晶片僅消耗極少的功率，並能在特定時段內自行累加能量，無需任何系統干預，而這正是實現整合解決方案的基礎。 對於有較高尺寸要求的高度整合化和密集型PCB，例如手機、平板電腦或筆記型電腦的主機板，與等效的分離元件相比，積體電路占用的空間顯然更小。例如，在晶圓級晶片封裝(WLCSP)尺寸的晶片(大小為2.225×2.17mm)中，包含一個能同時監測四個通道的能量測量積體電路。 (本文作者任職於Microchip)

恩智浦半導體(NXP)在NXP Connects 2020線上峰會的開幕主題演講中，恩智浦半導體執行長Kurt Sievers宣布與Volkswagen針對電動汽車(Electric Vehicle, EV)展開合作。Volkswagen已在其創新MEB平台採用恩智浦電池管理系統(Battery Management System, BMS)，幫助增加續航里程、延長電池使用壽命並提高安全性。恩智浦BMS提供出色的靈活度與可擴展性，能滿足當今電動汽車客戶的各類需求，無論是打造如突破性電動車ID.3的小型轎車(compact car)、插電式混合動力車(plug-in hybrid)，以及諸如ID.4、奧迪e-Tron或保時捷Taycan的豪華電動車。 Volkswagen AG 汽車能源供應暨高壓系統開發主管Holger Manz博士表示，作為Volkswagen首波電池電動汽車計畫的一環，在2029年前，我們將推出多達75種全電動車型。良好的電池管理系統不但提供功能安全性，還能在多款車型間擴展，使其能更輕鬆地實現電池的全部潛能、最佳化續航里程並延長電池的使用壽命。 儘管電動汽車(EV)已歷經多年發展，但該領域面臨的核心挑戰仍然是延長續航里程。隨著ID車系的發布，Volkswagen將透過提供45 kWh、58 kWh或77 kWh的電動汽車產品，突破電動汽車續航里程的極限。在效能高達100 kW的直流電(DC)快速充電模式下，中等容量電池可在30分鐘內達到260英里的續航里程。而大容量電池可使車輛在滿電後行駛多達340英里。 恩智浦半導體技術長Lars Reger表示，Volkswagen為即將到來的電動汽車時代提供豐富選擇。很高興能夠提供支援跨車型擴展的精密系統級(precision system-level)解決方案，此解決方案在簡化設計的同時，還能提供最高等級的安全性。 目前，全球排名前20名的汽車製造商中，已有16家在設計中採用恩智浦電池管理解決方案。

本文將說明電池平衡和隔離通訊網路的最新電池監控系統，如何利用新型鋰電池化學技術的優勢以及創新的積體電路(IC)，實現更高的可靠性和延長電池30%的壽命，而這對大型能源儲存系統尤其有效。 醫療應用中使用的電池，需要在日常使用的情況下滿足高可靠性、安全性和效率的高標準，病患的便攜式系統，包括胸部按壓系統、醫院急診室設備、電動醫療推車和床、便攜式超音波儀器、遠距監控以及市場上的新能源儲存系統(ESS)。 整合輸電網　提供備用電源/有效省電 能源儲存系統既不與病患有直接的交集，也不由醫生來操作。它們是不斷電系統(UPS)的進階系統，傳統上，UPS是關鍵應用的備用電源，如急診室設備、IT網路關鍵基礎結構等；然而新型鋰電池讓醫院的能源儲存系統涵蓋愈來愈多的功能，並且與醫院的輸電網路完全整合，因而帶來備用電源及有效省電兩項優勢。 能源儲存系統不再只局限於小部分的關鍵應用，而是為整個設施提供完善的備用電源，並提供防止停電、保障輸電網路電源/電壓品質的功能，並減少緊急柴油發電機的使用；有兆瓦時(MWh)的ESS，讓醫院即使在長時間的停電情況下仍能運作，並提供穩定的輸電網路，且能有效地節省電費，透過ESS醫院能直接控制用電情況，並減少高功率峰值的需求，進而降低電費，尤其醫院通常有相當大的屋頂面積，非常適合安裝太陽光電(PV)系統發電，與ESS相結合可以儲存和產生自用電力，具有經濟效益並減少碳排放(圖1)。 圖1　儲能電池 電壓曲線平坦　提升工作效率 以鋰為基礎的化學物質作為新型電池材料，現已在汽車、工業、醫療保健等市場中被使用。不同類型的鋰電池具有不同優勢，可以滿足各種應用和產品設計的電源要求。例如鈷酸鋰(LiCoO2)具有很高的比能，使其適用於可攜式產品；鋰錳氧化物(LiMn2O4)具有極低的內阻，可實現快速充電和高電流放電，是調峰儲能應用的理想選擇；磷酸鐵鋰(LiFePO4)在完全充電條件下具有高耐受性，並且可以長時間保持高電壓，這樣的性能使其成為停電期間需要大型能源儲存系統的最佳選擇，缺點是自放電率較高，但上述儲存應用方式並沒有採用此材料。 根據不同應用需要多種類型的電池。例如汽車應用需要高可靠性及優異的充電和放電速度；醫療保健應用則需要持續的高峰值電流以提高效率和延長使用壽命。然而這些解決方案的共同點，是鋰化學物質在額定電壓範圍內均具有非常平坦的放電曲線(圖2)。標準電池中的電壓降是500mV至1V，而進階鋰電池的放電曲線是平緩的，電壓降範圍為50mV至200mV，例如磷酸鐵鋰或鈷酸鋰。 圖2　鋰電池放電曲線 電壓曲線的平坦度在與電池電壓軌相連的IC電源管理鏈中具有巨大優勢，可以讓DC-DC轉換器在較小的輸入電壓範圍內以最大效率工作。從已知的Vin轉換為非常接近的Vout，系統電源鏈可以設計成具有理想工作週期的降壓和升壓轉換器，以實現在工作條件下>99%的效率。此外，電池充電器可以瞄準充電電壓，並根據穩定的工作電壓確定負載大小，以提高最終應用的精度，例如遠距監控或病患體內的電子設備。如果化學物質陳舊或放電曲線不平坦，透過電池供電的DC-DC轉換效率將降低，這會縮短電池持續時間(-20%)，又或者與醫療可攜式設備連接時，因額外的功耗而需要更頻繁地充電。 SOC/SOH延長電池壽命 放電曲線平坦的主要缺點是很難確定電池的充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)，必須以高精度計算SOC以確保電池正確充電和放電。過度充電會帶來安全問題，像是引起化學物質降解或短路，進而導致火災和氣體危害；過度放電會損壞電池，並使電池壽命縮短50%以上。SOH會提供電池狀態的資訊，以防淘汰掉效能良好的電池，並在出現問題之前監控壞電池的狀態。主要的微控制器會即時分析SOC和SOH資料、調整充電運算、告知使用者電池的電勢(例如，如果電池準備好在斷電的情況下進行大電流深度放電)，並保持在大型能源儲存系統中，處於不良與良好狀態電池之間的最佳平衡，以延長總電池壽命。 對具有陡峭放電曲線的舊電池進行成像，可透過短時間測量電壓降的增量以及瞭解電池電壓的絕對值，來更容易地計算該電池的充電狀態。而對於新的鋰電池，由於在既定的時間範圍內電壓降要小得多，因此進行此測量所需的精度要高幾個數量級。 對於SOH，舊電池以更快、更可預測的方式放電，其電壓放電曲線變得更加陡峭，且無法達到目標充電電壓。新的鋰電池將保持更長的良好性能，但最終會以更優異的性能退化，並在接近使用壽命或損壞時迅速改變其阻抗和放電曲線。在每個電池上進行溫度量測時要格外小心，另外，最好將SOC和SOH運算與該資訊整合，使其更加準確。 在理想情況下，精確可靠的SOC和SOH計算可幫助延長電池壽命從10年至20年。通常可將電池壽命延長30%，且在包含維修費用的情況下，將能源儲存系統的總擁有成本降低30%以上。此外，加上更高準確性的SOC資訊，可避免過度充電和放電等會快速耗盡電池電量的情況；大幅地減少短路、火災和其他危險情況的機率，並幫助消耗電池中的能量，以最佳、有效的方式為電池充電。 可攜式電池管理解決方案 本文章中提到的LTC6813(圖3)電池管理解決方案(BMS)可用於醫療設備(例如便攜式超聲儀)和大規模(兆瓦/小時)的能量儲存系統，例如醫院、工廠、穩定電網、電動汽車充電基礎設施、住宅單位，以及工業機器人和車輛。ADI可攜式的技術可運作於各種惡劣環境，並且符合汽車ASIL、工業SIL的各種功能安全標準，如VDE AR 2510-2/-50、IEC EN 61508等，在可靠性和安全性方面有極大的優勢。 圖3　LTC6813應用原理圖 全新高效且可靠電池監控系統的解決方案，是將18節電池監控器和平衡IC與微控制器結合到SPI從屬隔離介面。一個多節電池堆疊監控器最多可測量18個串聯電池，且總測量誤差小於2.2mV。電池測量範圍為0至5V，適用大多數電池的化學性質。可以在290μs內測量全部18節電池，並可選擇較低的資料採集速率，以實現高降噪。可將多個堆疊監控設備串聯連接，來同時監控長且高壓的電池組電池。每個堆棧監控器都有一個isoSPI接口，用於高速、抗射頻干擾且長距離的通訊。多台設備以菊鏈形式連接，一台主機處理器連線所有設備，該菊鏈可以雙向操作，即使在通訊路徑發生故障的情況下，也可以確保通訊的完整性。IC可以直接由電池堆疊或隔離電源供電，並包括每節電池的被動平衡，每節電池有一個單獨的PWM工作週期。其他功能還包括一個板載5V穩壓器、9條通用I/O線纜，以及將電流消耗降低至6μA的睡眠模式。 由於BMS應用的短期和長期精度要求，其採用嵌入式齊納(Zener)轉換參考，而不是能帶隙(Band Gap)參考，這提供了穩定的低漂移(20ppm/√kHr)、低溫度係數(3ppm/℃)、低磁滯(20ppm)主要電壓參考，以及優異的長期穩定性，這種準確性和穩定性相當重要，是所有後續電池組測量的基礎，這些誤差會對獲取的資料可信度、運算一致性和系統性能產生積累的影響。 儘管高精度參考是卓越性能的必要功能，但這還不夠。類比數位轉換器架構及其操作必須在電氣噪聲的環境下符合規範，這是系統高電流/電壓逆變器的脈寬調變(PWM)瞬變的結果。要準確評估電池的充電狀態和健康狀況還需相關的電壓、電流和溫度量測。 為了在不影響BMS性能的前提下降低系統噪聲，堆疊監控器轉換器使用Σ-Δ拓撲，使用者有六種濾波器選項來協助解決噪聲問題。Σ-Δ方式在每次轉換時使用許多樣本的特性以及平均濾波功能，能降低電磁干擾(EMI)和其他瞬態噪聲的影響。 滿足電池平衡需求 在使用以電池組或模組安置之大型電池組的任何系統(例如用於為醫院微電網和亞電網供電的大型能源儲存裝置)中，不可避免對電池單位平衡的需求。儘管大部分的鋰電池在一開始都能配合運作地很好，但是會隨著時間降低容量。老化過程可能會依不同因素而異，例如電池組溫度的梯度。超出SOC限制運行的電池將提早老化，並失去額外的容量，使整個惡化過程加劇，這些容量上的差異，再加上自放電和負載電流的微小區別，會導致電池失衡。 堆疊監控器IC直接支援被動平衡(具有使用者可自行設定的計時器)，以解決電池不平衡的問題。被動平衡是一種低成本的簡單方法，可以在電池充電週期內標準化所有電池的SOC。透過消除低容量電池的電荷，被動平衡可確保這些低容量電池不會過度充電。此IC還可以用於控制主動平衡，這是一種更為複雜的平衡技術，可經由充電或放電週期在電池之間轉移電荷。 無論使用主動還是被動的方法，電池平衡都依賴於高精度量測。隨著量測誤差的增加，系統建立的工作保護頻帶也必須增加，因此平衡性能的效用將受到限制。此外，隨著SOC範圍的限制，對這些誤差的敏感度也隨之增加，小於1.2mV的總量測誤差完全在電池監控系統的系統級要求之內。 堆疊監控器解決方案有效使用電池 在能源儲存系統中，必須有一個通訊迴路才能連接所有的電池，此迴路將資料從系統電池傳輸到以雲端為基礎的能量管理運算，追蹤充電和放電事件，以確定在斷電的情況下，能夠最大限度地利用電池或保持電池最大的充電量。 ADI的LTC681x和LTC680x系列代表電池堆疊監控器的最新技術，而18通道版本稱為LTC6813。 電池堆疊監控器設備需要與主單位進行溝通，在這些主單位上，微控制器或處理器會計算SOC和SOH值，並調節充電和放電曲線。互聯形式的可能性很多，其中隔離通訊通道是高壓應用的首選，例如能源儲存系統(400至1500V)和帶有大容量電池的可攜式設備(40至200V)。 在LTC6820與isoSPI通訊介面結合使用時(圖4)，LTC6813中內建的isoSPI功能可在跨高電壓屏障實現安全可靠的傳輸訊息，在能源儲存系統中特別有用。該能源儲存系統透過串聯的電池產生數百伏的電壓，該電池需要完全絕緣，以減少對人員的危害。 圖4　LTC6813與LTC6820的隔離連接 在這些使用超過18節電池的儲存系統中，需要將多個LTC6813 BMS板連接在一起。多個相同PCB的穩定互連，每個均包含一個LTC6813，以菊鏈形式配置作業。微處理器位於個別的PCB上，使用LTC6820支援IC，以實現微處理器PCB和第一個LTC6813 PCB之間的2線隔離。在只需要一個LTC6813-1時，如果第二個isoSPI埠(B埠)正確偏置並端接，就可以用作單個(非菊鍊式)設備。 設計具有平衡和通訊功能電池堆疊監控器的主要挑戰，是建立無噪聲的PCB布局設計，其關鍵路徑應遠離噪聲源(如開關電源)，以向電池組監控器提供清晰的訊號。ADI解決方案使堆疊監控器得到更好的準確性和精度，讓原本的設計更上一層樓，可更有效地使用電池，將其壽命延長30%，並以安全的方式運作。 (本文作者為ADI策略行銷經理)

48V技術為了遵循CO2規格，可實現再生煞車及中間能源儲存等功能，之後還能針對傳統燃燒引擎提供電氣支援，不過在未來限值方面，似乎無法重現相同效益，因此許多汽車製造商都以HV-BEV為發展方向。圖1顯示在遵循未來限值的情況下，電動車市占率可能的發展情形。這說明為何各界通常將48V車輛電氣系統視為銜接技術。 圖1　ICE、48V輕油電混合車及電動車在遵循未來限值的情況下，可能的市占率發展示意圖 就技術觀點而言，本地零排放的純電動車顯然是理想解決方案，必須依此進行開發及推廣。不過是否要完全仰賴HV電動車，則成為各界爭論的話題。其中的風險在於燃料電池或CO2中和合成燃料等充滿潛力的技術，其開發工作可能會因此受到影響，導致喪失潛力十足的關鍵技術。此外如果全球改為使用純電動車，在原料生產及能源產生方面，還無法達到CO2中和的境界，特別是能源組合及HV電池的生產及回收問題，可能對碳足跡造成負面影響。其中的決定性因素，將是實作電動車技術在未來實現CO2中和目標的時間，以及48V車輛電氣系統如何為此提供支援。因此以下主要將探討48V車輛電氣系統是否只能作為銜接技術，以及是否具有進一步的發展潛力。 48V架構/應用逐步成市場矚目焦點 動力傳動系統有各種電機(EM)整合選項(P0至P5)。連接式燃燒引擎的「增壓」及「動能回收」，以及分離式燃燒引擎的「滑行」等基本功能，可在所有組態中實現，其中分離運作時必須使用自動啟動離合器。有別於受曲柄軸速度影響的P0及P1組態，P2至P5組態的共同點，就是可在內燃機引擎分離時回收煞車動能，並在48V系統的效能範圍內實現純電動駕駛。P4及P5架構也能以48V系統為基礎實現全輪駕駛功能。 不論驅動時使用的是HV-BEV、燃料電池或合成燃料，其他裝置的48V電壓位準都比12V更節能，在車輛中的安裝及運作也比HV更簡單，具有最佳化的可能性。視驅動概念而定，圖2顯示可能的48V應用，例如2~4kW的電動渦輪增壓器(eTurbo)、4~5kW的電動空調壓縮機(eA/C)、1~5kW的電動催化劑加熱(eCAT)、PTC輔助加熱器及擋風玻璃除冰等電動加熱器、1~5kW的電動驅動及滾動穩定(ERC)、最高1kW的泵及風扇，以及其他需要高電源密度及/或連續使用的應用。目前採用P2-P4組態的第二代輕油電混合車，正以48V為發展方向開發前述應用，此外也在HV-BEV作為第三電壓位準。 圖2　搭載48V輔助裝置的雙電壓車輛電氣系統示意圖 如果再稍微進一步探討都會行動商業部門的未來發展，或是所謂的「公共運輸行動服務(MaaS)」整體概念，就能為48V技術開創更多應用機會。相較於HV-BEV目前所需因應的極長範圍(>400km)及持續縮短充電時間等需求，48V技術的主要焦點為成本、電池重量、隔離保護，以及2km至20km的短距離行駛。有足夠時間在工作期間、整夜或類似期間進行充電，視車輛基礎設施及停車情形而定。對此項需求而言，計算顯示30kW驅動足以讓小型都會車完成都會及陸上的標準週期。此外，48V BEV動力傳動系統的成本，在此運作週期中約比HV400V BEV動力傳動系統便宜25%。目前市面上已經有負載最高1,000kg的商用車採用48V BEV，而採用48V BEV的摩托車及電動機車也在市場上站穩腳步，部分車款甚至採用可更換電池。以上所有實作都能採用已開發或預定開發的輕油電混合車應用，例如含電池管理系統(BMS)的電池、變頻器、DC/DC轉換器及輔助設備。 MaaS如何持續發展仍是問題所在。即使是傳統汽車製造商，目前也重新調整定位，並擬定策略轉型為MaaS供應商，定義全新的生態系統。這類車款因應完整行動力範圍的問題，除了可讓數人搭乘的小型都會車外，也有類似於EasyMile的「接駁POD」，提供12位乘客的運輸能力，並以類似於巴士的「人員移動裝置」及「貨物移動裝置」作為最後一哩服務。前述車款由於重量高於小型都會車，因此需要更高的電源密度。這可能讓48V不僅用於傳統動力傳動系統及輔助裝置，也將用於轉向、煞車及駕駛穩定性等項目，此外也可能用於輪轂馬達。類似應用也出現在卡車、農業、營造機械、堆高機、特殊車輛及航空市場。 即使前述應用只有部分獲得實作，且未來發展仍有很長一段路要走，但這有可能大幅延長48V的生命週期。 48V架構巧搭車載元件精準控制 48V車輛電氣系統的半導體，主要用於控制電動馬達、配電變頻器或向輔助裝置供電，還以DC/DC轉換器連結48V及12V電氣系統層級。其中的對應元件包括感測器、微控制器、電源供應器、通訊及驅動器IC。 圖3顯示控制啟動器-交流發電機的半導體基本配置；啟動器-交流發電機是48V車輛電氣系統的關鍵元件。為了向微控制器供電，因此將系統電壓(48V)降低至微控制器及其他IC的一般程度。這是供電IC(安全系統供電)的基本功能，也可在功能安全領域執行其他作業。微控制器可實現電動馬達的場導向控制，以及在交流發電機運作時控制勵磁機繞組。微控制器為此實作複雜的計時器單元，並透過各種通訊匯流排(例如CAN)與車輛的其他控制單元通訊。 圖3　48V微型混合系統搭配主要半導體元件的方塊圖 如果使用適當的感測器，電動馬達轉子的轉子位置及旋轉速度，以及目前通過變頻器的電流，就可接受量測並傳輸至微控制器。智慧型感測器IC已經可以在內部處理量測資料，並透過感測器匯流排以數值方式將此項資料提供給微控制器。為了精準控制馬達，也必須將個別馬達相位的電流傳輸至微控制器，因此會在變頻器使用分流電阻器，或使用磁場感測器判定電流。 低損耗MOSFET通常在48V車輛電氣系統作為功率級IC，大多是以專屬的三相驅動器控制及監控，並可於緊急狀態時切換為安全狀態。除了馬達驅動器IC以外，其他重要元件還包括高效能閘極驅動器IC，可搭配MOSFET提供高度可靠的電池開關或安全開關，因應48V/12V隔離需求。48V車輛電氣系統以DC/DC轉換器與12V車輛電氣系統電氣耦合。 48V系統需慎選應用 半導體商如英飛凌(Infineon)為48V系統提供完整的晶片組系統解決方案，其中涵蓋穩壓器、收發器、感測器、微控制器、智慧型電源驅動器，乃至於電阻較低的MOSFET。 AURIX微控制器系列可謂成功，特別是動力傳動系統領域，不過也能因應其他領域需求，例如安全或駕駛輔助系統。同時最新一代AURIX TC3xx產品(40nm搭配嵌入式快閃記憶體)也正在生產，提供高效能及高效設計的所有要素。這樣設計人員就可選擇各式各樣的可擴充記憶體容量、周邊裝置功能、頻率、溫度及封裝選項。AURIXTC3xx系列採用多核心架構，包含六個獨立運作的32位元TriCore處理器核心，運算效能遠超過前代產品。該微控制器結合即時功能、資料安全及功能安全，能夠滿足最高ASIL-D的ISO 26262系統需求。 AURIX與TLF35584安全供電裝置是良好組合。外部安全裝置不僅提供電力，也能監控供電及微控制器的功能安全(例如看門狗)，有時也負責在發生安全相關故障事件時，將系統切換為安全狀態(失效安全)。如此可提高系統可用性，同時也能個別設定微控制器的錯誤回應。48V系統的其他重要通訊及電源元件為隔離CAN收發器及橋接驅動器IC。 48V應用對80V及100V MOSFET具有高度需求，用於啟動器-交流發電機(皮帶驅動或整合式)、DC/DC轉換器或電池主開關等應用。而英飛凌OptiMOS5系列提供可擴充的低導通電阻器(最低1.2mΩ)產品組合及多種封裝，例如新型TOLL(TO無鉛)、TOLG(HSOG-8)、TOLT(頂端冷卻提供高效能)、裸晶及晶片嵌入。 同時，48V系統也需要精準強大的感測器，感測BLDC馬達的轉子位置，以及用於量測電流。基本上感測器占用空間應越小越好，具備低損耗、彈性及符合成本效益等特性，並在完整的服務壽命期間提供高度精準、強大及安全的運作。例如霍爾型電流感測器XENSIV TLI4971，是英飛凌新系列「無核心」電流感測器的首款產品，可因應前述所有需求，量測電流最高可達120A，經校正後可供貨使用。 晶片嵌入技術降元件/接合複雜度 如英飛凌與Schweizer Electronic AG也合作開發功率MOSFET晶片嵌入技術(圖4)。這項技術可提升最高60%的48V系統效能，同時降低元件及接合技術的複雜度。晶片嵌入技術的MOSFET，並不像之前一樣焊接至印刷電路板，而是直接整合，也就是所謂的標準單元，其採用銅製導線架的MOSFET裸晶。其中提供的相關熱能及電氣優勢，可大幅提升電源密度，同時也更為可靠，特別是在與陶瓷模組比較的情況下。這樣開發人員就能提升48V系統效能，或使其更具成本效益。例如整合式48V啟動器-交流發電機扮演重要角色，讓輕油電混合車排放的CO2比傳統傳動動力系統減少15%。 圖4　使用晶片嵌入可進一步提升35%的電源密度 依據本文所述背景及應用範例，針對車用48V車輛電氣系統電壓技術進一步投資及系統最佳化，無疑為合理作法。 (本文作者皆任職於英飛凌，Dusan Graovac為汽車系統工程部門總監暨全球負責人；Christoph Schulz-Linkholt為配電部門首席系統架構師；Thomas Blasius任職於汽車車體系統行銷部門)

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)

在汽車產業電氣化如火如荼進行之際，摩托車也同步掀起電氣化熱潮。在Gogoro等新創公司帶頭試水溫，獲得不錯的市場回響後，傳統摩托車廠也紛紛展開相關布局，進而確立了摩托車電氣化的趨勢。 摩托車電氣化，將使得摩托車對電子零組件的需求大增，但也正如同電動汽車將對傳統引擎車的生態系統造成巨大衝擊，電動摩托車對現有摩托車產業的影響，同樣不容小看。從最上游的車廠研發端，到最下游的摩托車行，都必須做好面對衝擊跟挑戰的準備。 摩托車電子元件走向汽車規格 有趣的是，在電動摩托車竄起的過程中，來自汽車供應鏈的業者提供了不少幫助。台灣瑞薩(Renesas)電子車用事業部副理黃源旗(圖1)表示，其實摩托車跟汽車的供應鏈中，有不少廠商是重疊的，特別是Tier 1供應商。 圖1  台灣瑞薩電子車用事業部副理黃源旗 因此，在電動摩托車的發展過程中，供應鏈很明顯地分成兩個陣營，一派是沒有跟國際級Tier 1零部件供應商或國際車廠合作經驗的業者，這些供應商至今還是會在自家的產品中採用工規，甚至少部分商規元件。但如果是已經跟國際車廠/Tier 1有業務往來的供應商，基本上都會採用車規元件來開發自己的產品。 黃源旗解釋，汽車產業對於零部件的研發跟製造流程有很嚴謹的規定，有能力接車廠或Tier 1訂單的業者，一定要配合客戶的一整套流程與組織規範，故這類廠商通常不會再花額外的資源去發展或維護非車規的產品線。這是電動摩托車供應鏈之所以會分成兩個陣營的原因。 而隨著電動摩托車廠商近幾年累積了越來越多實戰經驗，很多車廠跟零部件製造商發現，摩托車的生命週期雖然不如汽車可長達十多年，但從摩托車出廠到報廢，平均壽命期間仍可長達5~10年，如果使用商規元件，很可能會遇到元件停產，找不到替代品的風險。這會使得電動摩托車的後續保養維護變成非常麻煩的問題。 因此，電動摩托車的車廠跟相關供應鏈業者，已經有很高的比例採用與汽車同等規格的零件。雖然車規元件的成本遠比商規高出數倍，也比工規元件貴了不少，但除了一分錢一分貨，品質有保證之外，車規元件的保證供貨時間都非常長，也能讓車廠等相關業者省下可觀的備料成本。 簡言之，如果車廠或零部件供應商採用商規或工規元件，省的是前期成本，但產品售出之後的後勤支援成本會很高；反之，採用車規元件的前期成本雖高，後期的維修備料卻非常省事。台灣某本土摩托車廠在跨入電動摩托車市場初期，曾經推出過幾款採用商規元件的車型，但很快就轉向車規元件，原因也在於該車廠意識到，商規電子零組件的保證供貨時間不像機械零組件那麼長，但摩托車的生命週期，卻是大多數消費性電子產品的好幾倍。 摩托車電氣化帶動電子元件需求 伴隨著電氣化，摩托車也開始跟汽車一樣，電子零組件使用量明顯增加。舉例來說，傳統摩托車除了電子燃油噴射(EFI)跟儀表板的控制單元(ECU)之外，只有重型機車搭載的防鎖定煞車系統(ABS)會用到微控制器(MCU)。但電動摩托車則截然不同，雖然沒有EFI，但卻多了馬達控制、馬達驅動、電池管理系統(BMS)等更複雜的電子系統。 此外，為了擴大電動摩托車跟傳統摩托車的功能差異，電動摩托車基本上都內建聯網功能，只是聯網技術的選擇不同，有些選用3G、4G，有些則是透過藍牙(Bluetooth)來連接車主的手機，借用手機來實現車聯網。 單以動力總成(Powertrain)來看，一台電動摩托車至少就會用到主控MCU、閘極驅動IC、功率MOSFET，以及位置感測器等馬達驅控相關的電子元件。至於儀表板，車商為了創造新的使用者體驗，擴大與傳統摩托車的差異，近幾年明顯吹起一股儀表板數位化浪潮，並回頭影響了傳統摩托車所使用的儀表板設計。 黃源旗透露，瑞薩在儀表板MCU市場上，擁有六成左右的市占率。就該公司觀察，現在新出廠的車款所搭載的儀表板，不管是燃油摩托車或電動摩托車，都已經很少採用純指針式的，主流產品採用的是指針搭配Segment LCD，高階儀表板則是完全用TFT-LCD螢幕來顯示所有資訊。 這個趨勢也影響了瑞薩在相關MCU產品線的布局。指針式儀表板基本上只要16位元MCU搭配步進馬達驅控功能，就足以滿足需求，但由於現在已經很少有純指針式儀表板，因此瑞薩目前針對主流儀表板所設計的MCU方案，都已經直接內建Segment LCD驅動功能。至於TFT-LCD儀表板，則必須使用帶有2D圖形處理引擎的32位元MCU來做為主控晶片。 至於在馬達驅控方面，由於電動摩托車的車身遠比汽車小，因此車廠在開發產品時，對於馬達驅控的要求，最大的挑戰是跟功率密度有關的議題。英飛凌(Infineon)電源管理與多元電子事業處總監梁錦文(圖2)指出，如何在有限的空間內實現最大的功率輸出，並保持優異的系統熱性能，是電動摩托車製造商目前共同面臨的挑戰。 圖2  英飛凌電源管理與多元電子事業處總監梁錦文 狹小的空間、功率不低的馬達，再加上摩托車電池的輸出電壓通常在48V~96V之間，不像電動汽車的電池，輸出電壓可達200~500V，因此電動摩托車的馬達驅動電流其實不容小覷。小空間、大電流與高功率馬達的結合，對馬達系統的散熱是很大的考驗。因此，英飛凌解決方案的開發目標，是以幫助客戶工程師能在受限的空間裡安置盡可能小巧的馬達驅動板，實現最大的功率輸出，並保持優異的系統熱性能，力保車輛運行的可靠性和使用壽命。這些特性也是英飛凌與其他對手產品最主要的差異所在。 由於電動機車對於功率密度的要求相當高，未來GaNFET有沒有機會切入此一市場呢？梁錦文認為，這個機會是存在的。目前大部分電動摩托車的馬達驅動設計還是基於矽MOSFET，比如英飛凌的OptiMOS/StrongIRFET，然而，隨著摩托車製造商對於空間尺寸的進一步要求，相信GaNFET也會在馬達驅動領域加速普及應用。 在電池管理系統方面，對電動摩托車來說，最主要的考驗跟大電流需求有關。針對BMS，英飛凌提出的解決方案包含帶有充放電保護的大電流功率MOSFET、防偽認證的加密晶片和微控制器。 由於電動摩托車的電流大，其他普通的設計方案需要並聯很多顆功率MOSFET來處理，不僅帶來並聯一致性問題需要處理，而且保護電路板的面積也相應比較大，成本自然也會有壓力。英飛凌的BMS解決方案針對這個設計痛點，建議採用低導通電阻的OptiMOS/StrongIRFET，加上散熱性能優異的元件封裝，並聯數量大幅減少，損耗比較低，一致性和可靠性更高。 比如說，英飛凌的MOSFET採用TO-leadless封裝，在80V耐壓上實現業界最低導通電阻1.2毫歐姆，100V產品實現1.5毫歐姆，是目前業界最優秀的產品。有客戶採用英飛凌2顆TO-leadless封裝的MOSFET取代10顆PQFN5x6封裝的元件，不僅板子尺寸顯著減小，物料採購數量減少，整體成本也更有競爭力。 電氣化將帶來摩托車產業洗牌 摩托車電氣化的趨勢，對摩托車產業鏈處理電子設計問題的能力，是一個很大的考驗。前面提到的儀表板與動力總成系統，以往都是以機械結構為主，電子系統的含量很低。但電動摩托車所搭載的電子系統數量大增，使得這類產品已經不再是機械學門的從業人員所熟悉的應用，而是電機學門的應用。 有半導體業界人士指出，電子電機跟機械是兩個截然不同的領域，雖然摩托車廠都知道電氣化是擋不住的趨勢，也有心想在電動摩托車領域有一番作為，但摩托車畢竟是傳統產業，很難開出足以跟電子大廠競爭的薪水，吸引電子電機領域的人才加入。另一方面，摩托車產業過去幾十年來一直是機械領域的人主導，因此看事情的角度跟電子電機領域的公司不太一樣，這種組織文化的氛圍，也不利於傳統車廠吸引新一代的電機人才加入。 該人士所屬的公司曾主辦過多場針對機車業者規畫的技術座談會，但每次與這些來自機車領域的專家交流，都會覺得兩個行業真是隔行如隔山。舉例來說，要跟車廠專家談ECU的程式設計議題，機械背景的車廠研發人員往往是似懂非懂；馬達驅控的情況還好一些，因為馬達是橫跨電子與機械兩個領域的技術，學機械的人通常也會對馬達有一定的理解，但如果講的題目太偏馬達控制，只要一牽涉到演算法，就得花很多心力去解釋。 這些都還只停留在摩托車的核心系統層面，如果要進一步談摩托車聯網的議題，特別是用3G/4G技術來實現聯網功能，摩托車廠的工程師大概只能舉手投降，因為這會涉及到射頻(RF)設計的專業，離機械領域十分遙遠。另一方面，任何應用只要一牽涉到行動通訊技術，就得遵守電信、網通公司制定的遊戲規則，對車廠來說，想在摩托車上導入相關功能，風險是很大的。這也是目前電動摩托車大多只搭載藍牙技術的主因之一。 傳統車行面臨生存考驗 對整體摩托車相關產業來說，電氣化所帶來的衝擊不只出現在產品研發端，負責為廣大摩托車主提供維修保養的支援體系，受到的影響更大。傳統摩托車對維修保養的需求，撐起台灣兩萬多家摩托車行的營運，也造就了台灣摩托車行比便利商店還多的世界奇觀。但機油、齒輪油、煞車來令、火星塞、空氣濾清器、皮帶等傳統摩托車必須定期更換的耗材，電動摩托車都不需要，在摩托車逐步電氣化的過程中，支撐這些傳統車行營運的收入來源，也會跟著消失。 摩托車業內人士就指出，雖然Gogoro有意利用傳統車行的廣大通路來增加其電動摩托車的能見度，並提供更便利的維修服務給車主，但電動摩托車的維修保養需求遠比傳統油車來得少，從車行的角度來看，維修電動摩托車是很難經營的生意。更何況電動摩托車系統規格遠比油車來得更封閉，一家車行要為不同品牌的電動摩托車提供維修服務，是很困難的。 事實上，即便是傳統油車，也有一些核心零部件是很難維修的，例如噴射引擎的EFI功能若發生故障，一定得要靠原廠的診斷電腦才能檢測，但摩托車行要取得一家原廠的診斷電腦，都得投入大量資金，想取得不同原廠的診斷電腦，則幾乎是不可能的任務，因為原廠的診斷電腦只會提供簽約配合的車行，但這種合作關係是排他性的，如果某家車行跟A原廠簽約，就無法再與B原廠簽同樣的合作協議。 除了資本設備、零組件規格的問題外，要目前的摩托車維修技師學會修理電動摩托車，也是件很困難的事情。電動摩托車的維修複雜度跟重型摩托車相當，維修技師除了要有機械領域的知識外，還需掌握基礎電學知識，否則根本無從修起。 業界人士悲觀地總結說，上述問題若不能解決，即便Gogoro喊出2020年底前要與1,000家傳統車行合作的目標，能不能達成還是個未知數。如果把眼光放遠，比如十年後，台灣還能有多少摩托車行繼續生存下去，更是個問號。很多老一輩的車行老闆，都已經有幾年後不如把店收一收，退休享清福的打算；年輕的修車師傅則還有足夠的學習能力跟誘因，去培養電動摩托車的維修技能，但中生代(目前40~50歲)的車行老闆或修車師傅，則處在不上不下的尷尬階段。 時代進步不等人　適者才能出頭天 每當能撼動一個產業的顛覆性技術突破出現，總有受益者跟受害者。就像汽車從傳統內燃機引擎轉向電力驅動的過程中，雖然讓許多汽車電子元件的供應商受益，但車廠、供應鏈業者甚至維修服務體系，也必須重新調整策略跟組織，才能因應汽車電氣化所帶來的新挑戰。 由於台灣的本土汽車產業鏈規模有限，因此在汽車電氣化的過程中，沒有受到太大的衝擊。但同樣的故事，也正在摩托車產業中上演，摩托車電氣化所帶來的影響，台灣社會肯定會非常有感。因應衝擊的對策為何，不僅考驗政府，也考驗每一個摩托車相關產業的從業人員。

意法半導體(ST)日前推出能夠提升電動汽車(Electric Vehicle, EV)可靠性、安全性、續航里程及成本效益的新電池管理技術。 意法半導體汽車和離散元件產品部副總裁暨智慧功率解決方案MACRO部門總經理Alberto Poma表示，該公司正在擴充電子技術專業知識的應用範圍，全力協助車商研發更環保的交通工具。以該公司與重要合作夥伴在電動汽車電池管理技術領域多年的合作經驗，新電池管理晶片將進一步提升電動汽車能源管理系統的各項性能，直接提升重要的終端使用者體驗，增加市場吸引力和消費者信心。 電動汽車製造成本預計在2030年前與傳統內燃機汽車相當，到2038年銷量將會超越傳統汽車 。意法半導體透過自身的技術優勢為汽車製造商達到這些目標，推出了一款先進且具有業界最高電壓檢測精度的電池管理系統(Battery-Management System, BMS)控制器，延長電動汽車的行駛里程和電池壽命。該控制器還增加溫度監控輸入，以加強電池的安全性。 L9963控制器是意法半導體BMS電池管理系統計畫的最新研發成果。該計畫已經為意法半導體與EV電池開發企業合作專案開發的半導體晶片，其中包括自2008年開始而目前還在進行的LG Chem合作專案，以及2017年宣布與中國科學院微電子所和電動汽車電池科技公司中科芯時代的合作專案。

亞德諾半導體(ADI)宣布高性能電動汽車領域技術廠商Rimac計畫將ADI的電池管理系統(BMS)IC應用於Rimac的BMS中，相關技術使Rimac的BMS能可靠運算任何給定時間內的電量狀態和其他電池參數，以從電池中獲取最大電能和電量。 Rimac執行長Mate Rimac表示，Rimac為全球眾多汽車公司開發和製造關鍵電氣化系統。同時，該公司超級跑車也為電動汽車的性能樹立更高標竿，對於BMS要求極為嚴苛，其需實現極高的精度、極短時間內的電流和電壓劇烈變化以及在電池管理控制系統內快速動態調整。該公司決定在整個電池管理系統產品線上採用ADI的電池管理IC產品組合。ADI的IC產品是Rimac自主研發BMS的重要組成部分，不僅將用於自有汽車，並將應用於全球眾多汽車品牌。在針對市場上該類IC進行對比測試後，結果證實ADI的產品能夠在汽車生命週期內提供精準測量精度和產品可靠性。期待未來與ADI合作能於汽車和電池組中實現高性能BMS。 Rimac C_Two為一款純電動超級跑車，最高時速可達412km/h。C_Two引擎具有1,914匹馬力，0-96km/h加速時間1.85秒，0-300km/h加速時間11.8秒。為了支援高性能輸出，Rimac團隊更設計和打造包括電動傳動系統和電池組等底層技術。 BMS技術相當於電池組背後的「大腦」，其管理輸出、充放電，並在車輛運行期間提供精準測量。BMS也透過重要的保護措施以防電池受損。電池組由多組獨立的電池單元組成，這些電池單元無縫地為汽車提供最大的電力輸出。如果電池單元之間失去均衡將會受到應力影響導致充電過早終止，進而縮短電池總體壽命。ADI的電池管理IC提供高度精準的測量，不僅使車輛能更安全地運行，且最大化每次充電後的續航里程。 ADI汽車電氣化和資訊娛樂事業部副總裁Patrick Morgan表示，高性能電動汽車需要高度準確的電子設備。高精準度可直接轉化為快速充電時間、最大化的電池容量和里程。非常高興能透過精準電池管理IC支援Rimac的電動汽車系統，實現全球性的優異性能。 ADI提供廣泛精密電池管理IC，在眾多業界應用中支援多種電池配置和電池類型。除電動汽車電池管理系統外，並包括車載充電器(OBC)、大功率電力儲存系統(ESS)、備用電池系統和高壓資料擷取系統等應用。

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...

ToF飛時測距 ADI ToF技術採用脈衝型雷射，可以大幅降低功耗，搭配CCD感測器，畫素達640×480 VGA等級影像解析度及精準度，安馳科技資深技術應用工程經理吳明宗表示，在製造現場，ADI的ToF是感測6公尺以內的範圍，可以應用在自動導引車(AGV)或帶有手臂的智慧移動機器人(IMR)，ADI ToF解析度是CMOS ToF的四倍，其深度資料可有效地增加影像辨識度，室內採用850奈米(nm)波長雷射，室外應用為避免陽光吸收，採用940奈米波長雷射。 在應用部分，ToF電子圍籬能建置安全防護Virtual Wall，以ADI的ADDI9033搭配ToF感測元件，提升產線作業人員與機器手臂協同作業的安全性，吳明宗提到，IMR或AGV則可以使用機器視覺，協助其空間辨識或避障；汽車應用以駕駛監控與手勢辨識兩類為主，在夜晚低光源的環境下還是可以進行影像辨識，甚至可以清楚辨識駕駛的表情。 應用於商業空間的3D人流統計時，則可利用影像技術分辨身高，有效分辨進出人流，並計算總量。傳統自動門採用紅外線反射原理，讓動物也可以自由進出一般商場，造成管理上的困擾，使用ADI ToF 3D立體影像感測時，可以辨識區分空間中人與物體的相對位置距離遠近，有效摒除非人類進入商場。 BMS電池管理 另外在電池管理(Battery Management System, BMS)部分，吳明宗指出，ADI BMS產品最大的優勢便在於鋰電池的管理精度，無論面對什麼環境，都能把精度誤差控制在非常小的範圍內，且可以保持十年不變。也能在同樣電池容量下提高電動汽車的整體續航里程。因為ADI BMS產品內建了Buried Zener Reference技術，能夠為測量系統提供高精確度。 LTC6813是一款多節電池堆棧監視器，該元件可測量多達18個串聯電池單元，總測量誤差小於2.2mV。電池測量範圍為0V~5V，使LTC6813適用於大多數電池化學成分，所有18個單元都可以在290μs內測量，多個LTC6813元件可以串聯連接，同時監測電池、高電壓電池串。也可以直接由電池組或隔離電源供電。該監視器包括每個單元的被動平衡，每個單元具有單獨的PWM工作週期控制。其他功能包括板載5V穩壓器，9個通用I/O線和睡眠模式，其中電流消耗降至6μA。LTC6813適用於電動/混合動力汽車，電池備份系統和高功率電池系統。 無線工業聯網模組IIoT RF Module ADI無線工業聯網模組IIoT RF Module可延伸更多感測器，吳明宗解釋，該模組兩端協定是由IEEE 802.15.4作為溝通，模組可選擇2.4GHz，其優勢在於具有高傳輸速率。ADI IIoT Module為低功耗，待機時間約可達到數年之久，且可依客戶需求搭配多種的感測器，可達到99.999%可靠度，抗干擾能力強。工廠可監測溫度、濕度或有毒氣體等。 雖然增加這些裝置，可能提高了硬體建置成本，但後續所產生的效益可能會遠遠超過傳統的方式。例如在工廠廣泛布點後，能夠減少監控人員巡點或手動檢測、紀錄的耗時，因此在人員配置上可大幅提升工作效益，並且在系統收集資料的同時，上傳雲端，直接與後台做聯結提供大數據分析，不需再額外花費人力，蒐集、紀錄、上傳等。 深度學習智慧監控 AI機器學習無處不在，賽靈思專注於深度壓縮技術，安馳科技技術應用工程部經理吳文忠說，利用Zynq-7000 SoC和Zynq UltraScale...