EV電池背後的先進技術

作者 : Greg Zimmer,ADI BMS產品行銷經理

本文探討高壓電芯監控器系列及其有助於車輛電池組實現最高容量、安全性、可靠性和使用壽命的關鍵差異化特性。

相較於油箱等單一儲能元件,電動車(EV)的電池組由數百個串聯的單獨鋰離子電池芯組成。如果未能在嚴密監控的範圍內運作,這些電芯的容量和壽命會隨著時間和運作條件的變化而減少和改變。電池管理系統(BMS)負責讓這些電芯保持最大容量和壽命,同時確保安全可靠。

在BMS系統的核心是電芯監測器,可對電芯進行測量,從而確定每個電芯的充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH),這是評估電池狀態的兩個關鍵參數。本文探討高壓電芯監控器系列及其有助於車輛電池組實現最高容量、安全性、可靠性和使用壽命的關鍵差異化特性。

引言

幾十年來,汽車產業一直逐漸整合,而技術和品牌差異化卻逐漸減少。動力傳動是將能量轉化為動作的系統,可說是汽車製造商最寶貴的智慧財產權(IP),經歷了一個多世紀的完善改進。在此情況下,造車新勢力的出現更顯得令人矚目,因為表示動力傳動技術正歷經挑戰。

典型的內燃機(ICE)汽車中配有一個15加侖的油箱,相當於近500千瓦時(kWhr)的電能。15加侖的汽油可轉化為內燃機汽車375英哩的續航里程;500kWhr的電能可轉化為電動車1450英哩的續航里程。如此巨大的能效優勢是電動車最終取勝的原因,但此種車輛的最後一個問題還有待解決。如今這一代電動車面臨的最大問題,就是其電池容量比不上內燃機汽車的續航里程。

挑戰是什麼?

電動車的電池組由數百個串聯運作的電芯組成,產生400V到800V的電壓。過度充電和過度放電會損壞電池或使其過早老化,從而降低容量或壽命,最終導致電池故障。電池管理系統的主要功能是確定和控制構成電池組的每個電芯之SOC和SOH。任何鋰離子電池充電至100%的SOC或放電至0%的SOC都會降低其容量。確定SOC需要測量電池電壓和溫度,這些測量的準確性直接決定了SOC管理的好壞。總而言之,電池管理系統的電子元件是盡可能提高電動車電池系統的運作里程、壽命、可靠性和安全性之關鍵。

為了準確、連續測量密切結合的一長串高壓電池串中之所有電芯絕非易事。測量需要不受逆變器、致動器、開關、繼電器等產生的高電氣雜訊的影響。由於電池組的高電壓,電子元件本身也需要進行電氣隔離。最後,電子元件需要在磨損、氣候條件、車輛使用年限和行駛里程等因素的影響下運作數年。

電池管理系統的核心

為此,ADI的電池管理產品專注於幾個關鍵方面:單個電芯測量(電池監控器)、整體電池組測量(電池組監控器)、互連裝置的通訊網路(透過導線或無線網路),以及控制這些裝置的軟體。這些電子裝置的目標是讓所有電芯安全充電到最高容量,確保整個電池組獲得最大的可儲存能量,充份提高車輛的續航能力。

最關鍵的裝置可謂高電壓電池監控器IC。它可用於測量串聯電芯的電壓和溫度,通常每個監控器監控12個電芯。電池電壓和溫度是關鍵參數;測量精度和同步性是關鍵特性。

綜合這些參數,電池管理系統可在最大的安全工作範圍內操作電池,而不至於為電池帶來壓力。因此,這些電池監控器的性能對於電池管理系統充份最佳化車輛續航里程、成本、重量和可靠性非常重要。

測量誤差會導致電池管理效率降低,而ADI的電池管理系統產品能夠提供精準的測量能力。例如ADBMS6815系列精密電池監控器由三個基本元件組成,是實現安全、性能和成本效益的較理想功能組合。該系列有三種不同的電芯監控器數量,能夠滿足不同的電池配置,適用於廣泛的電池組配置。

此外,這些零件可以透過混合和匹配的方式進行組合,組成合適數量的電池監控通道。由於工作環境包括極端的電氣雜訊,因此它還包含可調節的低通濾波,以減少這些雜訊,確保實現高傳真的測量。

Figure 1. Simplified description of the multicell battery monitor.圖1:多電芯監控器的簡化說明。

電池管理系統的通訊技術

ADBMS6815系列電池監控器採用菊鍊式互連設計,使用isoSPI雙線通訊介面。這是一個穩定可靠、對電磁干擾不敏感、具有電氣隔離的網路,能夠從電池管理系統微控制器同步操作、輪詢和控制電池管理系統裝置。因此透過ADI電池組監控元件,可以同步測量電池組中的所有電芯以及電池組電流和電池組電壓。此種菊鍊可以透過通往每個裝置的路徑進行操作,也可以透過迴路配置中的雙路徑進行操作。該迴路支援在電線或連接器發生故障的情況下,存取所有的電芯監控資料。

該系列並支援在無線電池管理系統(wBMS)中運作,其中有線菊鍊被電池監控器的2.4 GHz無線電池管理系統節點所取代。

Figure 2. Outline of a wired BMS.圖2:有線電池管理系統的概要。

Figure 3. A wBMS replaces the comms wires with a radio.圖3:wBMS用無線電取代了通訊線路。

安全

在電池管理系統的所有目標中,確保電池組的安全是最重要的。辨識和補救IC內的潛在故障需要內建自檢能力和冗餘。這些功能包括冗餘測量路徑、改善輸入訊號之間的同步、自檢能力等等。

該系列零件的設計支援ISO 26262 ASIL-D標準。汽車功能安全標準ISO 26262目的在確保汽車電氣設備和系統在整個生命週期內的安全。ASIL-D是該ISO標準中的一種風險分類,代表系統中最高等級汽車安全。零件的設計和認證必須支援ASIL-D,確保使用該零件的汽車製造商能夠實現此一關鍵里程碑。

低功耗電芯監控

除了確保為車輛提供穩定、可預測、可靠的能源外,電池管理系統還必須確保電芯本身始終是安全的。雖然此種情況比較罕見,但電芯的缺陷會導致電池隨著時間的推移而縮短壽命,並導致熱失控,造成災難性的結果。為此,電池管理系統需要對可能預示任何潛在問題的情況進行監控。

電芯並不會因為不使用而處於惰性狀態。作為電化學裝置,即使在靜止狀態下,它們也會隨著時間而變化。換句話說,即使在車輛不運作的情況下,電池的失效狀態也在持續發展。為了持續監控電池組內的電芯(即使車輛處於熄火狀態),ADI開發了低功率電池監控(LPCM)技術。這種先進的電芯監控功能可以定期自動檢查電芯的關鍵參數。透過LPCM功能,電池監控器會提醒電池管理系統喚醒,並在檢測到任何潛在問題時進行適當的檢查。如果電池監控器未能提供定期確認訊號,電池管理系統也會收到警報。

彈性、功能和成本效益

該電池監控器系列並提供較理想的功能組合,以滿足廣泛的要求,並對上述安全性、可靠性和性能提供一些補充作用。這些元件使用相同的封裝和接腳,允許設計人員以不同的通道數(每個元件監控6、8、12個單體電池)建構通用設計,透過不同的選項配置,滿足更多電池組或電池模組的配置需求。這些產品還包含通用的I/O,可以作為數位輸入、數位輸出或類比輸入操作。當作為類比輸入操作時,其可以測量5V以下的任何電壓,測量精度與一次性電池相同。此外,這些輔助測量,如溫度或電流測量,可與電芯測量同步,從而獲得更準確的SOC。

計算這些I/O接腳也可以控制I2C或SPI子節點裝置,實現更複雜的功能,例如增加多工器來擴大類比輸入或EEPROM,進而儲存校準資訊。最後,這些產品並包含電池均衡能力,在任何電池上都能放出高達300mA的電流。這實現了系統均衡,保持電池組中所有電芯的SOC相等。均衡過程可以設定為一個特定的時間段,並在達到預先編程的閾值時自動停止。如此,即使在電芯監控器處於睡眠模式時,也能實現長時間的均衡。

結論

未來30年內,全球將從內燃機轉向電動車。汽油是一種來自有限資源的產品,其使用效率極低,因而勢必會推動此種轉變。地緣政治和環境問題只會加速此一趨勢。。

先進的電池管理系統產品,如ADBMS6815系列,正在推動未來的發展。這些IC經認證符合ISO 26262 ASIL-D標準,可確保電芯電壓和溫度測量精度。此外,採用經過道路驗證的多代電池監控IC,可望超越汽車和工業應用的環境、可靠性和安全性要求,能夠有效滿足電動車隊和大型儲能系統不斷變化且具挑戰性的要求。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2023年4月號雜誌

活動簡介

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