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驅動EV未來路 BMS電池管理一手包
為電池安全把關

【作者: 王岫晨】   2019年05月30日 星期四

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根據市場研究機構MRFR最新報告的預測,電動汽車市場到2023年將達到3565億美元的規模,而預期市場規模在2017至2023年,將以18.96%的年複合年成長率增加。


電動車市場潛力無窮

近年來電動車普及,大家也逐漸熟悉了電動車輛的優點。一般來,電動車是指由電池系統供電的車輛,並使用來自充電站的電力進行充電,或者由渦輪增壓器、再生致動系統等自充電裝置來充電。在國際上,電動車已經逐漸納入到各國政府的發展政策之中,例如挪威的電動汽車和混合動力汽車在2017年就佔了新車銷售總量的近52%,此外,挪威政府也制定了一項政策目標,也就是到了2025年時,每輛售出的汽車應為零排放。


而中國也被認為是具有巨大潛力的市場,也擁有最多的電動汽車製造業。根據數據顯示,中國的汽車製造商在2017年成功生產了大約68萬輛全電動汽車、卡車和公共汽車,這一數字超過了全球其他地區的總和。在2017年,中國還生產了20多萬輛全電動商用車,佔全球總產量的近5%。


此外,許多國家已經建立了法律規範來監測車輛排放。各國採用了歐洲或聯合國歐洲經濟委員會(UN-ECE)行動來源排放法規的前版本,部分國家則採用了基於最新版歐洲或美國的先進法規。典型的例子就是中國,目前中國已經採用了基於歐洲第五階段排放標準的大城市排放法規。另一方面,韓國和台灣則採用了美國的汽油車嚴格標準,以及歐洲柴油車輛標準。這些因素的結合,預期都將在不久的未來促進電動車市場的成長。


BMS的架構

市場上有許多不同類型的BMS,除了可以自行設計之外,甚至還可以購買隨時可用的整合IC。從硬體結構的角度來看,基於其拓撲結構的BMS只有三種類型,分別是集中式BMS、分散式BMS,以及模組化BMS。然而,這些BMS的功能都是相似的。



圖一 : BMS可估算電池的SOC和SOH。一般可以使用電池的電壓、電流、充電曲線和放電曲線來計算SOC。SOH則可以透過充電次數和性能來計算。
圖一 : BMS可估算電池的SOC和SOH。一般可以使用電池的電壓、電流、充電曲線和放電曲線來計算SOC。SOH則可以透過充電次數和性能來計算。

現在來進一步從核心分析BMS的功能。BMS的主要功能是監控電池所需要測量的三個重要參數,包括電池組中每個電池的電壓、電流和溫度等。我們知道電池組是透過串聯或併聯的配置來連接許多電池而形成的,例如特斯拉有8,256個電池,其中96個電池以串聯連接,86個以並聯連接來形成電池組。



圖二 : 通用電池管理系統
圖二 : 通用電池管理系統

如果一組電池是以串聯連接,那麼我們必須測量每個電池的電壓,但整個電池組的電流將相同,因為串聯電路中的電流都相同。類似地,當一組電池並聯連接時,我們必須僅測量整個電壓,因為當並聯連接時,每個電池上的電壓將是相同的。


測量電池電壓與溫度

由於典型的EV具有連接在一起的大量電池,因此測量電池組的單個電池電壓有點挑戰。但只有知道單個電池電壓,我們才能進行電池平衡並提供電池保護。為了讀取單元的電壓值,可以使用ADC。但由於電池串聯連接,所涉及的複雜性很高。這意味著每次都必須改變測量電壓的端子。有許多方法可以做到這一點,包括繼電器、多路復用器等。除此之外,還可以透過一些電池管理IC,用來測量串聯的多個電池(如12~16個)的單電池電壓。



圖三 : 圖中顯示了一組串聯的電池,可以為單個電池測量電壓和溫度,並且測量電池組的電流。
圖三 : 圖中顯示了一組串聯的電池,可以為單個電池測量電壓和溫度,並且測量電池組的電流。

除了電池溫度,有時BMS還必須測量母線溫度和電機溫度,因為一切都在高電流下工作。用於測量溫度的最常見元素稱為NTC,其代表負溫度係數(NTC)。它類似於電阻器,但它根據其周圍的溫度改變(降低)其電阻。通過測量該器件的電壓並使用簡單的歐姆定律,我們可以計算出電阻,從而計算出溫度。


測量電池電壓可能非常複雜,因為它需要高精度,並且還可能從多路復用器注入切換噪訊。除此之外,每個電池都透過電池平衡開關連接到電阻器。為了克服這些問題,可以使用類比前端晶片(AFE)。AFE具有高精度的內置Mux、緩衝器和ADC模組。它可以透過共模輕鬆測量電壓和溫度,並將信息傳輸到主微控制器。


EV電池組可以提供高達250A甚至更高的大電流值,在實際的電流量測之中,還必須測量電池組中每個模組的電流,以確保負載均勻分佈。在設計電流感測元件時,必須在測量和感測裝置之間提供隔離。最常用的兩種檢測電流的方法是Shunt法以及透過霍爾傳感器。兩種方法都有其優點和缺點。較早的分流方法被認為不太準確,但隨著最近可用的高精度分流器設計與隔離放大器和調製器,將比採用霍爾傳感器的方法還要更合適。


電池狀態估算

BMS主要能力還包括電池狀態的估算,這包括SOC和SOH的測量。SOC是電池的充電狀態(state of charge),SOH是電池的健康狀態(State of Health)。一般可以使用電池的電壓、電流、充電曲線和放電曲線等來計算SOC。SOH則可以透過使用電池的充電次數和性能來加以計算。有許多方式可以用來測量電池的SOC,每個算法都有不同的輸入值。最常用的SOC方法稱為庫侖計數法。除此之外,還有許多其他先進和更複雜的算法,包括:


基本方法


* 安培小時(Ah)法


* 開路電壓(OCV)法


* 阻抗/紅外測量法


機器學習算法


* 神經網絡模糊邏輯


* 支持向量機


高級方法


* 基於卡爾曼濾波的狀態空間模型估計


到目前為止,庫侖計數法是最常用且最易於理解的方式。它是透過『總電荷輸入和電池最大容量之間的比值』來得出SOC值。公式為:


SOC =總電荷輸入/電池最大容量


電動車市場細分

電動汽車市場可以根據技術和車輛類型進行細分。從技術類型來分類的話,可分為電池電動車、混合動力電動車和插電式混合動力電動車。其中,電動汽車佔據了51.40%的比重(根據2016年數據),市值約547億美元,混合動力汽車僅稍微落後。然而,插電式混合動力電動汽車則以最快的速度成長,複合年成長率為21.75%。


另一方面,若以車輛類型來分類,全球電動車輛市場被分割成乘用車、商用車輛和雙輪車。其中,乘用車在2016年的市場比重最高,為68.20%,價值約726億美元。而乘用車也有最快的成長速度,年複合年成長率為19.93%。


區域展望

全球電動汽車市場市場大致可分為亞太地區、歐洲、北美和世界其他地區。在近幾年來,亞太地區幾乎是電動車發展最為迅速的區域,根據2016年的調查數據,其市場佔有約為53.2%,市場規模567億美元,年複合成長率為20.35%。在未來幾年,中國,日本和韓國等國家的將更帶動亞洲區域的電動車市場前進,這也是該區域電動汽車市場利潤豐厚成長模式背後的主因。在亞洲地區,中國被認為是電動汽車和電動雙輪車的最大市場,自2015年以來,該兩種車輛在中國的銷量大幅增加。而電動車也為該地區的汽車製造商創造了更大的商機。而包括現代汽車、特斯拉等汽車製造商,也正在努力開拓印度電動汽車生產。


在歐洲方面,電動汽車市場在過去幾年中享有極具吸引力的利潤,其中有多種因素帶動了上述的成長,包括柴油技術的持續萎縮,以及客戶對電動車的興趣日益增加等。其中,德國的市場動力最為明顯,近年來該市場已經成長了一倍以上。因此,德國也成為僅次於挪威之後,歐洲第二大電動汽車市場。


至於在北美市場,影響北美電動汽車發展的因素,包括政府對激勵措施的支持,以及提高了該地區電動汽車銷售量的補貼措施等。例如美國聯邦政府便根據電池規模,提供高達7,500美元的所得稅抵免。除此之外,還有其他各種州級的獎勵措施,通常都是採用退稅的形式。另一方面,在加拿大,許多基金也都為電動汽車的成長提供了強有力的支持。而鋰離子電池價格的下降,可以被視為電動車產業中的一個積極信號,因為這將使電動汽車的價格更加實惠。


印度政府策略


圖四 : 印度政府提出了一項雙管齊下的策略,努力為電動車買家和製造商提供協助。
圖四 : 印度政府提出了一項雙管齊下的策略,努力為電動車買家和製造商提供協助。

目前積極開發電動車的知名廠商包括特斯拉、日產汽車、福特汽車、大眾汽車、寶馬、豐田汽車、戴姆勒、通用汽車、三菱汽車,以及現代汽車等。特別值得關注的是印度市場。隨著印度電動汽車市場的成長,該國政府提出了一項雙管齊下的策略,努力為買家和製造商提供協助。該策略預期將會提供高達14億美元的補貼,並透過進口關稅的上調,以鼓勵印度國內汽車加強製造電動車的進度。


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