車用電池組保護功能簡介

刊登日期:2017/3/5
  • 字級

目前市售的鋰電池組大多會搭配電池管理系統的電路板,除了提供電池資訊之外,最基本且最重要的功能就是保護功能,目的在於防止電池組充/放電使用階段的異常操作,而導致電池組發生危害。常見的保護功能不外在於電壓、電流、溫度等保護,目前許多車用電池組的保護功能仍沿用3C產品的設計,但車用電池組的工作環境比3C產品嚴苛許多(例如:工作溫度、工作電流、雜訊干擾、機械振動等),因此,直接將3C架構的保護功能套用在車用電池組,則會因為上述原因導致誤判機率增加,進而衍伸出許多安全性與可靠度的問題,甚至是行駛中因為保護功能的誤判,而直接關閉電池輸出,造成車禍意外。

基於上述原因,本文將說明如何以多訊號源比對方式,降低車用電池管理系統在保護功能方面的誤判機率,並藉此提高電池組的安全性與可靠度。
 

 圖一、電流與溫度保護概念示意圖
圖一、電流與溫度保護概念示意圖

 
3C保護功能簡介
本文以美商德州儀器(TI)的產品為例,簡單架構的基本原理。一般常見的3C產品BMS架構,主要分為兩大類:①類比前端量測與保護IC(TI bq76920)搭配電量估測與顯示IC(bq78350-R1)的分離式架構(圖三);②類比前端量測與電量估測IC整合式架構(TI bq40z50)(圖四)。
 
多訊號源車用電池組保護功能簡介
多訊號源車用保護功能,顧名思義是以一個以上的量測訊號進行交叉比對,來判定目前的異常狀況是量測雜訊,或是真實異常訊號,所以不需要靠延遲時間就可以立即判定;並根據判定結果決定保護等級與防護方式,在確保可靠度的同時可不必因此犧牲即時性,故本文也將多訊號源保護稱為進階保護功能。
 
以圖六為例,在a時間點的電壓驟降在多訊號源的保護偵測上,會判定為雜訊干擾造成的量測異常,而非真實異常需要啟動保護。而在b時間點時,電壓再次發生陡降現象,搭配電流訊號來看,此時電流量測結果也同步發生高放電電流值,因此可以確認此電壓驟降達到低壓保護點為真實放電所致,此時多訊號源保護方式才會啟動保護程序。首先警示使用者電池出現異常進入局部保護狀態(進入保護斷電前的倒數30秒計時),讓使用者有足夠的緩衝時間進行減速並停靠路邊,最後啟動保護斷電功能。當保護斷電後,若要恢復放電保護,則電池的開路電壓需達到放電保護的恢復門檻(或是解除門檻),才允許再次放電。


圖六、單訊號源與多訊號源之低壓保護概念示意
圖六、單訊號源與多訊號源之低壓保護概念示意

 
多訊號源保護功能與3C保護功能項目比較
基於上述之架構,傳統3C保護架構與多訊號源的進階保護架構之異同點比較結果如圖七所示,實線框的部分為傳統3C常見的保護項目,但利用多訊號源同步交叉比對之方法可大幅降低在車用電池誤判的發生率,此外,還可根據電池的外界環境溫度變化,針對像是電壓、溫度等保護,進行不同保護參數的設置。虛線框中的進階保護與警示項目,為傳統3C保護無提供的功能,但是對於車用電池組來說卻是相當重要的。基於篇幅限制,僅挑選其中溫度量測斷線保護與內短路保護兩個項目進行說明。
 
2. 內短路警示與保護功能
當內短路的能量大到一定的程度,會反應在電壓與溫度的量測數據上,最具代表性的內短路特徵如圖九所示,簡單的說,就是造成電壓驟降的內短路能量轉化成瞬間的高熱,對電芯內部加熱,而經過時間差後反應在殼體的溫度上。因此,本文提出的內短路特徵正是利用電壓驟降後伴隨著溫度上升的特徵,判定---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:周俊宏、陳麒化、孫建中 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商