不過時的電動車電池管理系統

作者 : Rudye McGlothlin,Silicon Labs電源產品行銷總監

電動車駕駛通常會遭受一種特有的困擾——日益普遍的「續航焦慮」。內燃機車輛駕駛就不會有這種焦慮,因為無論他們行駛到任何地方,都可以在附近找到加油站,並且加滿油箱的過程一般不會超過幾分鐘…

儘管當前電動車(EV)和插電式混合動力車(HEV)的生產蓬勃發展,但消費者的實際興趣可能有些落後。根據一家汽車研究公司的最新調查結果顯示,對於尚未考慮拋棄傳統內燃機(ICE)車輛的消費者來說,對電動車電池續航力的擔憂,仍是阻礙其購買電動車的最重要因素。

電動車駕駛通常會遭受一種特有的困擾——日益普遍的「續航焦慮」。內燃機車輛駕駛就不會有這種焦慮,因為無論他們行駛到任何地方,都可以在附近找到加油站,並且加滿油箱的過程一般不會超過幾分鐘。

許多人購買電動車純粹是為了工作通勤。每週五到六天在家和辦公室之間往返,這很大程度上可以消除電動車續航里程的不確定性;車輛可在家裡過夜充電,或者在工作場所附近的快速充電站充電,又或者在工作場所的停車場充電。

然而,只要一想到週末的鄉間公路旅行,續航焦慮就又回來了。為了解決這一問題,半導體技術正在不斷創新,為實現更快的充電速度和更高的電動車續航里程鋪平道路。

電動車系統概述

在動力傳動系統、能量儲存和轉換系統方面,電動車採用了模組化的方式(圖1)。通常,這些系統包括以下主要電路元件:

  • 車載充電器(OBC):車輛的鋰離子電池由OBC充電,後者又包括具功率因數校正(PFC)的AC-DC轉換器。
  • 電池管理系統(BMS):BMS負責監測車輛各個電池的狀態,以確保實現最高的效率和安全性,防止過熱、過度充電或充電不足。
  • DC-DC轉換器:高壓電池透過DC-DC轉換器連接至內部的12V直流網路,內部直流網路為配件供電,並為本地開關轉換器提供偏置。
  • 主逆變器:負責將高壓DC轉換成AC以驅動馬達,它還用於再生煞車(regenerative braking),以及將未使用的能量回歸至電池。

圖1 典型的電動車系統架構示例。

電池管理系統和CAN匯流排

對電動車電池來說,它們可能會變得越來越強大,但是隨著在動力傳動系統中增加更複雜的電子設備以實現更有效的維護、充電和使用,對電池的要求也在逐步增加。這些系統需要精確測量重要的安全元素,例如電池組的電壓、電流和溫度。然而,這些測量是在高壓下進行通訊,這會對收集和處理資料的敏感電子設備造成潛在的危險。

例如,BMS透過車輛的車載中央電腦將電池狀態基本即時資料傳送給駕駛,確保這種通訊的準確性和順暢運作,對於消除駕駛的續航焦慮是至關重要的一步。危險在於高壓和開關雜訊,前者來自電池,未來幾年內電池的容量可能會達到800V或更高,而後者則由與中央處理器通訊的電池管理系統造成。

圖2中簡化的BMS系統顯示了在與電動車子系統之一連接時訊號和電源隔離的重要性。現代數位隔離需要在隔離器的兩側都有電源,並且其還可用於為連接到隔離器的其他元件(如CAN匯流排收發器)供電。高壓域在電池組一側,低壓域在CAN收發器一側。

圖2 電池管理系統通訊介面。

雖然圖2中的示例著重於CAN匯流排介面,但在電池組和微控制器(MCU)之間可能還需要額外的隔離。用CAN收發器隔離各個子系統的最佳選擇,是使用整合DC-DC電源轉換的隔離解決方案,以避免整個系統設計過於複雜。

寬能隙(WBG)半導體的前景

新系統不可避免的導入將增加半導體和其他電子元件的數量,從而增加對電池電力的需求。通常,這種額外的需求會增加系統的成本和重量,在電動車市場中,重量越大意味著整體效率就越低,而且隨著匯流排電壓的升高,矽(Si)電晶體的成本也將隨之增加。

很明顯,諸如矽MOSFET、 IGBT和超結等傳統的矽技術已經不再適合電動車。業界已經開始採用最先進的寬能隙技術進行設計,如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),這兩種技術在電動車中都有其獨特的優勢。

與矽IGBT相比,SiC技術具有更高的工作溫度、更高的阻斷電壓和快得多的開關速度。在電動車動力傳動系統的核心部分,牽引逆變器會間歇性地將大能量包傳回電池,這將體現SiC開關的最大優勢。另一方面,GaN開關可以為從低功率系統到最高10kW系統(包括AC-DC OBC和DC-DC輔助電源模組)的一系列其他電源系統提供優勢。

然而,由於GaN和SiC使用了更高的開關速度,它們會產生大量的雜訊。因此,隨著汽車供應商開始採用WBG功率電晶體來滿足不斷增長的功率密度需求,基於半導體的隔離變得不再只是值得擁有,而是成為物料清單(BOM)中至關重要的項目。

實現更佳的性能

要想真正能和內燃機車輛競爭,電動車電池管理和電源轉換系統就必須做到小巧、輕便且耗電量少,同時還要能為馬達提供高效的動力。要想獲得更廣泛的採用,不僅要消除人們對續航里程和成本的誤解,還要確保電動車製造商在設計層面上盡可能使其電池管理系統具備未來適用性。

儘管面臨挑戰,但隨著車輛電氣化成本的下降和相關系統設計經驗的增長,我們將迎來一個新的突破性技術創新發展階段,各個系統將變得更低溫、更快速、更小巧、更高效。屆時,將看到電動車真正的能力。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年3月號雜誌

 

 

 

 

 

 

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