TI 德州儀器 BMS EV 磷酸鐵鋰 LFP

德州儀器BMS架構讓電動車更安全/更平價

2024-01-03
隨著電動車(EV)越來越普及,先進的電池管理系統(BMS)有助於克服阻礙廣泛採用的部分關鍵門檻:行駛距離、安全性、性能、可靠性,以及成本。而半導體則是這類系統的核心。

德州儀器電動車電池監控產品的團隊Sam Wong表示,相較於燃油車,半導體技術在電動車中佔有更加重要的地位,TI的晶片可帶來極大助益,但所需成本卻只是電池組的一小部分。

近期一篇BloombergNEF 報告指出,在全球客車市場中,電動車僅佔不到5%。不過電動車的市佔率正在迅速增加,大多數大型汽車製造商均承諾將在未來5到10年中將產品系列轉型為以電動車為主,以推動邁向更為環保且永續的未來。對主流消費者而言,電池技術的進步是關鍵要素。TI立足於推動電池技術進步的最前線,TI透過新技術,讓工程師能利用多種電池化學物質和配置進行作業,進而推動汽車創新向前邁進。這類進步已透過傳統或尖端的電池技術,讓電動車的價格、性能和可靠性獲得改善。

新的電池化學物質帶來了一大良機。大多數電動車都使用仰賴鈷的鋰離子電池供電,而鈷是一種供應量極低的稀土金屬。不過,現在電動車產業大多開始採用無鈷的電池化學物質替代方案,那就是磷酸鐵鋰(LFP),磷酸鐵鋰的供應量較充沛、開採的永續性較高,而且更易於使用,因此是更加低廉且更有效率的替代選擇。

不過,雖然因鐵的成本較低、蘊藏量相對豐富,讓LFP成為更永續的選擇,這種化學物質卻具有一項缺點。電動車需要透過量測電池壓降來評估剩餘的電量,對車中的乘客而言,這代表剩餘的行駛距離。以鈷為基礎的電池在放電時,其電壓會穩定下降,但LFP 電池卻不一樣,其壓降十分微小,即使電量即將完全耗盡也不例外,讓預測其電量成為一大挑戰。

德州儀器BMS系統經理Mark Ng表示,LFP平緩放電率所需的電壓量測準確度,正好是現代半導體技術可提供的極限所在。

傳統BMS產品量測電池電壓的準確度可達約5毫伏,但就LFP電池而言,這種不準確度會為行駛距離帶來約25%的不確定性。因為製造商必須採取低估行駛距離的謹慎做法,以免駕駛人行駛在公路上時意外發現電池即將沒電,所以汽車回報的剩餘行駛距離通常都比實際可行駛的距離短25%。

此時TI的尖端技術即可派上用場。運用TI的高精密度電池監控器,汽車製造商即可指示更為準確的行駛距離。

Mark表示,現在無須在實際還可行駛250英里時,告知剩餘的行駛距離為200英里,因為只要利用TI的晶片,汽車就可告知剩餘的行駛距離為230英里,雖然是對相同的電池進行相同的充電作業,BMS實際上卻可將行駛距離延長30英里。

額外的行駛距離足以確保LFP電池是可行的技術,讓汽車製造車能放心轉換至此新興化學物質,進而製造更為永續且平價的電動車。

準確的監控技術除了可延長汽車的行駛距離外,對於安裝至電動車電池組中近200個電池芯而言,更是左右其安全性與耐用性的關鍵。若一個電池芯的放電速度比其它電池芯快,即使電池組的其餘部分仍有電,該電池芯仍可能幾乎耗盡電力。但幾近耗盡電力可能會對電池芯造成永久性傷害,讓其無法保存電量,導致整組電池芯再也無法使用。而在充電期間,需要關切的部分則是比其它電池芯更快充飽的電池芯。這可能會造成電池芯過度充電,並可能導致發生危險的過熱情況。

由於TI的電池監控器具有高準確度,因此可發現電池芯即將耗盡電量或過度充電的早期跡象,隨後則會中斷該電池芯的連結以免過度放電,或是釋放出過度充電的電量,讓整組電池芯可在行駛和充電期間維持平衡狀態。前述產品也會監視電池溫度上升的情況,這是發生過度充電或其他問題的另一種跡象。

Sam指出,BMS可提供精密的監控網路,以感測每個電池芯的電壓、電流和溫度,如此一來,TI就可中斷電池與系統的連結,或是調整流入或流出電池的電流。

BMS採用兩個獨立感測器來量測電壓,以提供備援功能,並在發生不匹配情況時警示系統。

即使是中斷電池與系統連結的作業,也具有其挑戰和解決方案。就新一代電動車的配電、穩健性和安全性而言,更高的電池電壓堆疊、更快的充電需求,以及更強大的牽引馬達,都為這類中斷連結系統帶來了獨特的挑戰。

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