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【BMS,從衛哨晉階主帥】
為何要關注電池管理系統 (BMS)?簡言之,就是為了保障人身、財產安全。繼前年知名智慧手機電池接連出包後,近日再傳多起他牌手機因不當充電而導致爆炸事件,著實讓人心驚。最初,電池供電的產品售價多半不高、電量不大、充電沒那麼頻繁,更不常隨身攜帶;萬一電路掛點、頂多產品損毀,不致引發太大災難。但時至今日,許多電池供電產品身價不斐、功率越來越高、充電次數密集、貼身使用司空見慣,一旦充、放電異常,財產損失重大不說,更可能直接危及生命!
隨處可見的鋰電池,須將溫度控制在 0 ~ 60℃,以免電池升溫將電解液蒸發成氣體,導致局部壓力遽增、電池膨脹而燒毀隔離膜;遇零下冰點,則有結晶刺穿的危險。所以,旨在控制負載環境、監測電池充電狀態 (State of Charge, SOC),防止過度充電和電壓波動而損壞電路的 BMS,地位自然水漲船高;而用於故障檢測、診斷服務、監控電池 SOC、健康狀況及性能的嵌入式軟體,亦將呈現高成長。從電路型態分析,BMS 有分佈式、集中式和模組化三種拓樸。
雖然現今「分佈式」市佔最大,但以高效率和高可用性取勝的「模組化」架構漸獲工業不斷電系統 (UPS)、電動車/油電混合車 (EV/HEV)、無人機和儲能系統 (ESS) 等高功率 BMS 認同,用以管理一系列配置和電壓。系統商可經由應用程式介面 (API) 與主機連接、即時提供電池健康狀況資訊,使用者便可了解在當前情境下,該如何調整作業方式或更換電池的時間點,以免設備損壞或意外降載而有礙正常運作;但若 BMS 讀數不精確,會牽動電池充電速率和儲能系統效率。
此外,「電池間的均衡」——單電池均等充電、使電池組中各個電池達到平衡一致,是業界正致力研究的一項 BMS 關鍵技術,期能降低成本,並提高汽車、航空航天等大型動力系統和電網儲能應用的效率,傳統上有主動與被動兩種。不可諱言,現階段由於主動均衡器的單元成本仍居高不下,故被動均衡器即使損耗高,但仍是目前主流。特別一提,近來開始出現兼採主、被動之長,利用「雙電平均衡器」(bi-level equalizer) 平衡電池組中的電壓與被動電路,已引發高度矚目……。
延伸閱讀:
《電池串數不斷攀升 怎能忽視BMS?》
http://compotechasia.com/a/____//2018/0309/38298.html
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#物聯網IoT #汽車電子 #電源設計 #電池管理系統BMS #電池充電狀態SOC #庫侖計數Coulomb count #儲能系統ESS #不斷電系統UPS #微控制器MCU
【「電量變化」透露許多訊息】
不少智慧手機或可攜式裝置,都是不可自行替換電池的設計。為防通訊意外中斷,使用者越來越依賴電池容量檢測,是電池管理系統 (BMS) 主要功能之一,通常以庫侖計數 (Coulomb count) 估量;解析越精準,不僅可降低誤差容忍度、不致高估剩餘電量,還能縮小整個電池組的體積。然而,傳統電池組的庫侖計數架構須外掛放大器,且周邊的類比數位轉換器 (ADC) 和類比前端 (AFE) 又各自存在細微誤差,若用來估算整個電池組的電量,恐力有未逮。
反觀庫侖計數專用晶片能減少 MCU 工作負載,還可加載中斷警示、喚醒、休眠等額外功能,更便於「即時」監控短至幾百毫秒的瞬間變化 (開發者可定義時間單位)。此外,大串數電池的 BMS 挑戰在於:須用許多隔離元件以確保電氣運作,若是自行採購分離式元件、組態,頗為耗電,且整體材料清單成本 (BOM Cost) 與整合式產品相差無幾,未必划算;另內部通訊介面的整合也有難度,前端遇到的問題解決後,難保後端不會再次發生狀況,煩瑣工作著實不少。
搭載 BMS 的另一個訴求是:有助於延長電池壽命。可惜,它並非電池組「延年益壽」的萬靈丹;單電池 (Cell) 理論上無疑義,但串聯成電池組 (Battery Pack) 可就不一定了!由於每串電池的電化學反應不可能一模一樣,假如電池組中某個 Cell 出問題,基於 BMS「維持電池間均衡」理念,與其串聯的電池夥伴會前來馳援,旨在使電池組中的各串電池達到均衡一致;如此一來,恐形成互相拖累、掣肘之勢,會減損整體電池組的壽命。這可借用知名的「木桶效應」解釋。
一隻木桶最終能盛蓄多少水量,非由桶壁上最高的那塊木板做主,關鍵還得最短的那塊木板說了算,暗喻:組員功力相當,才具正向加乘效果——整體電池組的蓄電能力,取決於內部性能最差的電池。假如電池組中的各個 Cell 皆身強體健,自然能加倍發揮戰力;但若有「豬隊友」扯後腿,反會加速電池組老化。統整 BMS 有三大評判重點:解析度、消耗電流與功能多寡;與此同時,動態記錄電池容量,車用 BMS 市場潛力相當可觀,藉由電流變化可做許多延伸應用……。
延伸閱讀:
《「庫侖計數」獨立晶片精準解析瞬間電量衝擊》
http://www.compotechasia.com/a/____//2018/0309/38297.html
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#物聯網IoT #汽車電子 #電源設計 #電池管理系統BMS #電力計量GAUGE #電池充電狀態SOC #庫侖計數Coulomb count #儲能系統ESS #不斷電系統UPS #阻抗追蹤IT
【電池老化了嗎?有請「阻抗追蹤」來解答!】
電池老化既是必然,又何必費心籌謀?事實上,偵測電池健康度是預防電池老化的第一步,只要偵測夠準確,就能進一步採取保護措施。例如,設備商一旦評估系統無法承受電壓遽降至基礎工作電壓以下,或會主動減少電池負載;然而,此舉若未事先知會使用者,恐導致意外之災而引發民怨。利用電力計量 (GAUGE) 診斷電池健康狀態,告知消費者何時須更換電池;而「阻抗追蹤」(Impedance Tracking, IT) 演算法可估算老化電池內阻增加後的電壓突降,是系統開發的好幫手。
相較於消費電子產品,儲能系統 (ESS) 或大串數系統對於可靠度和安全性有更高要求,電池使用方式亦隨產品功能而異,需要不同 GAUGE 計算;例如,手機需重覆充放電循環,但不斷電系統 (UPS) 卻是一直處於充飽電狀態。GAUGE 演算法可藉「阻抗追蹤」偵測電池放電狀況、計算電池內阻,並將它映射到電池在放電時的電壓差就能瞭解電池的健康程度。特別一提的是,UPS 備援系統計量傳統上需借助人工放電至趨近 0% 水準,才能取得電池參數、據以判斷電池壽命。
所幸,有廠商特地為此開發專屬的「不常放電演算法」(Rarely Discharged Algorithm) 來解決這個困擾,允許系統選擇性放電 1~2%;只要透過小容量的放電就可計算電池內阻,且在檢查電池健康程度之際,仍可一如往常維持備援所需容量,大幅減少人工放電的時間以及放電中 (Learning) 系統遭遇停電的風險。無論是對電池的安全監控保護和管理,都是為了提高電池的續航力及使用壽命,並減少成本;與此同時,還須兼顧電池應用的安全和可靠性。
探索大串數電池模組 IC 製程的耐壓程度,並在寬幅溫度區間力求量測精準度,是各家供應商要求的通用規範、也是演算法的運算基礎;至於如何確保運作可靠性與高效性?正是各家演算法的核心技術所在!另面對時有耳聞的電動車燒毀事故,電池設計的「安全可靠」更是第一要務,而 BMS 更肩負以下重任……。
延伸閱讀:
《電池 GAUGE 與使用因終端應用而異》
http://compotechasia.com/a/____//2018/0309/38295.html
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#德州儀器TI #不常放電演算法
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