電池管理系統與應用

 

刊登日期:2020/2/5
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黃榆棊、陳燦煌、游爵豪/工研院資通所
 
用電力取代燃油來驅動車輛是下一代交通工具的目標。電能乾淨、方便利用且效率高,這些優點使得不論汽車或是機車廠商都大力推進;但電池為電化學裝置,受到負載、環境的變動影響很大,而且控制與保護不易。本文提出了一些研發成果來對應電能管理與增加電能利用效率。
 
【內文精選】
前言
全球各國政府近期不僅以政策宣示禁售燃油車,也透過補助希望推動電動車的發展。除不約而同著手戮力發展自己的電動車產業鏈,並同步強化充電站等後勤設施。開發新型動力系統以取代汽柴油引擎已成為國際間的主流共識。其中,歐洲車廠因應效率與環保需求,將低成本的BSG (Belt Starter and Generator)系統導入,以提升整車燃油效率,而後再推廣到全電動車之策略,廣為廠商所接受。
 
國內機電製造產業等方面具有足夠的競爭力及完整的供應鏈,主要來自於既有的資通訊產業與車輛零組件供應平台,從原物料、模組、系統整合、整車等,皆已具備完整的產業鏈及技術平台,但以電動車生產者角度來看所面臨的困境,乃缺乏基礎建設及系統整合。基礎建設方面的關鍵是能源站佈點密集度,須擁有很多據點的廠商占地利之便方是理想的建設環境。系統整合方面,從電池芯、模組、管理系統、中控訊號處理、通訊、充放電規格等,涉及層面廣且深,則適合由具有多元完備技術領域、長期耕耘類似工研院法人單位協助整合。
 
電池芯是另一個產業發展的瓶頸,尤其台灣產業規模有限,電池芯成本難以降低,對電動車業者形成嚴苛的成本考驗。工研院108年起使用軟碳材料開發電池技術,目標即是要使用軟碳材料導入之電池芯,進行鋰電池模組設計,開發高充放電流、高可靠與高壽命的鋰電池模組,並提供電池運作時線上即時訊息,及離線獨立監控之通訊系統,以適用於快充(Fast-charge)電站、換電站及儲能系統的延伸應用需求。
 
BSG設計
工研院資通所佈建BSG電力系統技術與驅動系統,以提供良好的充電品質及安全監控保護,提高功率輸出同時穩定解決散熱問題,協助國內廠商完成市場布局及建立相關技術版圖。如圖一及圖二所示,整體而言,電能/動能轉換系統必須透過48 V/12 V雙向轉換橋接現有的12 V與48 V車電系統,而BSG的部分不但可以當發電機、剎車能量回收、起動機,也可以提供輔助動力來達到充電、快速起停及低碳排放的目標。以下將針對BSG之FOC (Filed Orientation Control)控制與通用最佳化機制的技術特點做一介紹。
 
圖一、機械動力與電能分配/轉換架構,(a)現有車輛的標準配置;(b)導入48 V電池並整合BSG的機械/電能分配
圖一、機械動力與電能分配/轉換架構,(a)現有車輛的標準配置;(b)導入48 V電池並整合BSG的機械/電能分配
 
電能管理系統設計
工研院資通所致力於電能管理系統開發,包含模組整合、電池充放電狀態監控、訊號處理及通訊傳輸。其中模組整合,因應在快充快放過程中電池處於大功率操作,呈現瞬間大電流,需考量散熱機制及操作安全性。其散熱機制,需同時考量模組封裝設計及間隔用良導熱材料之選用,使電池芯溫度能夠透過充分設計之導熱路徑,將內部產熱散逸至模組外,增加電池組的使用壽命及操作安全性。
2. 快速精準的硬體監控能力
快充電池管理系統提供快速精準的硬體監控能力,如圖七,主要作動包含電壓監控、溫度監控、電流監控。電壓監控最高可管理15個電池單體,並可依照需求監控所需電池芯溫度數量,可在設計初期了解各電池芯溫度變化的狀態,以最佳化整體電池芯的散熱配置…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖七、快充電池管理系統之電池監控
圖七、快充電池管理系統之電池監控
 
★本文節錄自《工業材料》雜誌398期,更多資料請見下方附檔。

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