電動與油電混合車電池管理解決方案

為了解決電池芯製造品質、使用時內部阻抗與輸出電壓？電流的不一致，電動車？油電混合車導入BMS電池管理系統，來做電池蓄能與動力輸出的平衡負載。德儀以累積類比半導體多年的製造經驗，推出高整合性多通道被動式均衡負載、主動式均衡負載的BMS晶片解決方案，協助車廠建造更具智慧、能行駛的更遠的HEV/EV。

德儀協助車用電子廠 提供BMS的關鍵核心晶片

德州儀器(TI)資深業務發展經理陳放女士，先為德儀BMS(Battery Management Solution)正名，它代表提供電池管理所需IC元件？零組件的完整解決方案。客戶基於德儀BMS解決方案來進行二次開發，根據不同車型以及不同電池材料類型，最終得到一套電池管理系統BMS(Battery Management System)。

德儀BMS產品線包括：單電池芯充電器(Single Cell Charger)、多電池芯串聯充電器(Multi-Cell Charger)、單電池芯計量(Single Cell Gauge)、多電池芯計量(Multi-Cell Gauge)、多串電芯保護以及汽車BMS。

在2011年9月底，德儀以63億美元收購美國國家半導體(NS)，兩家公司原本各自有自己的汽車BMS設計團隊，經過整合之後，成立全新的德儀BMS團隊。除了BMS汽車管理解決方案之外，德儀在傳統汽車以及電動車的涵蓋領域也相當多。德儀有80多條產品線，擁有7萬多個產品，涵蓋到汽車影音系統、能源管理晶片、胎壓偵測系統(Tire Pressure Monitor System；TPMS)、類比客製化晶片、DLP/HUD投影機？抬頭顯示器、RF射頻晶片、車載資訊系統、能源晶片與光源晶片、行進路徑解決方案(Datapath Solution)等。

德儀提供完整的電動汽車電池管理解決方案組合，同時具備高效能，在整個寬溫範圍內提供量測電壓精準度，以及高噪訊環境下最可靠的通訊傳輸模式。今日僅一家IC供應商能提供領先產界的汽車安全完整性標準(即ISO26262) ASIL-D最高等級。德儀與國家半導體結合創新文化，已成為全球高容量電池BMS的第一IC供應商。

鋰電池安全性問題肇因於一致性

陳放提到大家對於鋰電池安全性問題的關注。無論是電動車(EV)、油電混合車(HEV)、電動機車？腳踏車，如何讓鋰電池在使用的過程中，跟電池管理系統BMS充分配合，作為車用儲能系統的電池組，絕對是必需達到高安全性(不閃燃、不爆炸)、高功率，具備快速充電、良好的化學穩定性及較長充放電週期壽命；同時具備高能量密度、重量輕，以及有內部阻抗？輸出電壓？電流的一致性、耐高？低溫、成本以及續航里程(Driving range)。

她提到，設計EV/HEV電池管理系統的難點在於：1.電池芯問題(Cell Issue)；2.串聯系統問題。由於一個電池芯僅能提供3伏多的電壓，因應電動車300多伏甚至電動巴士500多伏的電壓需求，需要將許多電池芯串聯在一起。對電池芯而言，就需注意均衡要求、壽命與放電深度、熱管理、品質擔保等；而串聯系統的問題則在於高壓、電池芯與晶片內部的極聯、縱向通訊、干擾、負載衝擊、信號跳變、零組件絕緣隔離、裝配隔離、家裡或辦公室充電、電池健康監控等。

德儀車用電子BMS產品藍圖

陳放揭櫫德儀從2011年到2013年完整的汽車BMS產品藍圖。2011年支援監控與均衡功能的bq76PL536A-Q1 BMS晶片，提供3~6顆電池芯被動式串聯平衡負載防護；EM1454晶片則提供6~14顆電池芯被動式串聯平衡負載功能。2011下半年EM1451晶片提供6~14顆電池芯被動式平衡負載與防護功能。

到2012年，bq76PL455-Q1晶片提供8~16顆電池芯的被動式平衡負載與防護，並開始送樣；以及支援8~12顆電池芯的主動式平衡負載與防護的bq76PL456-Q1晶片，支援4~12顆電池芯。

Bp76PL536A-Q1晶片是整合ADC並支援六通道被動均衡負載的BMS晶片。支援電池二級防護機制，未來會因應客戶對前端採集與二級保護整合與否，推出各別因應的產品。

Bp76PL536A-Q1適用鈷(Cobalt)、磷酸鐵(Iron-Phosphate)、鎳鈷鋁合金(Nickel Cobalt Alumium；NCA)、鈦等電極？電池材料，最大裝置堆數32組(192顆電池芯)，支援最高ASIL-D安全等級，以及1mV的量測精準度。採用菊鏈(Daisy chain)串接而無須絕緣組件，並以SPI介面做1Mb/s資料傳輸。

陳放介紹一個以Bp76PL536A-Q1晶片設計的BMS系統架構示意圖。芯片與芯片之間的通訊，在底部透過一個MCU，然後給到主控端，另外會有個獨立的二級保護組件。

EM1454晶片組由EMB1432(14 channel AFE)、EMB1426(14bit ADC)、EMB1441、EMB1485(低噪訊LDO)、EMB1408(切換式降壓元件)、EMB1402(8 channel Temp Sensing)與EMB1472(reset IC)等7顆晶片所組成，這7顆晶片建構了14通道被動式均衡功能，1mV的量測精準度與最小100mA均衡電流調整，每個通道可量測從-2~5.5V的電壓範圍，避免偶而的極性偏轉；每個模組支援最大60伏特，同時它具備八通道溫度感測與可堆疊設計，可應用在溫和操控的插電混合動力車、混合動力車、電動自行車與電動機車，小型專屬運輸電動車(Small Task Oriented Vehicle；STOV)等。同時德儀也提供相關資料規格表、樣品與工程板。

被動均衡與主動均衡的差異

陳放指出德儀的主動式均衡技術，專注於鋰離子電池的雙向隔離電感的均衡。當前均衡技術之一為被動耗散式(Dissipative/Passive Balancing)：在充？放電過程中，對高於設置電壓值的電芯進行放電，以求達到整組電芯電壓趨於一致，多餘的電壓？電流藉由外串電阻消耗掉；其缺點是會額外造成能源的損耗，溫度上升也會使鋰電池壽命減少，較適用於2,000WH以下的小電池包，同時成本較低。

另一種則為主動式均衡技術，有能量轉移型(Charge Shuffling/Power Pump)以及隔離式DC-DC主動均衡型(Isolated Inductive Balancing)。前者是藉由電容電感一節一節的接力方式進行能量的轉移，但仍會有能源損耗以及充電路徑過長的問題。

後者則是德儀推薦電動車所採用的主動均衡方式：每個電池芯藉由矩陣開關控制變壓器與充電線路的組合，形成一個有調整功能的電壓？電流「蓄水池」的功能，當電池芯由於多次充放電後產生不一致性而導致整組電池充放電容量下降，可藉由後端連接蓄水池的線路做調整，充電時不會因為監控到某個電池芯內壓過高而停止充電，放電時也可以完全的100%的釋放能源，進而延長電動車的行駛距離。

德儀在隔離式DC-DC主動均衡技術的能源轉換效率高達87%。像EM1451晶片組由9顆核心晶片加上5顆電源供應晶片所組成，其中最主要的EMB1432十四通道AFE晶片、EMB1428七通道閘控制器晶片，與EMB1499七通道電壓控制晶片等，來建構十四通道雙向主動式電池芯均衡功能，串聯14顆電池芯與最高60V工作電壓，提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆疊輸出電壓能力，並滿足AECQ-100車用電子驗證標準。

主動式均衡負載技術 延長電池壽命與行駛距離

陳放提到，德儀不僅僅是提供產品規格表與工程樣品，也針對全球客戶提供主動式均衡負載應用的評估工程板EM1401，包含PCB佈線圖、EM1401評估軟體等，均無償提供給客戶。

據德儀之前跟某車廠合作的研究顯示，以一併聯96串聯的66Ah 3.6V電池包，其中一顆電池芯已充放電循環3,000次，儲存容量減少25%，其餘95顆電池芯在3,000次充放電循環內，在這樣不一致性電池包的測試下，主動均衡負載技術可以延長整個電池包25%的使用壽命。

另外在2010年上海世博會中，他們曾評估一輛採240Ah電池組、已營運多時的純電動巴士，起初設計標準充飽電可跑150公里，但會場上實際行駛距離僅83公里；經他們改造為主動式均衡BMS之後，在不更換既有電池芯的情況下，行駛里程可以達到105公里，延長了26%的行駛距離。

陳放最後介紹即將於2012年年底量產的bp76PL455 BMS晶片，它具備十六通道最高5V電壓的被動式均衡IC晶片，目前已廣為各汽車、車用電子大廠導入設計(Design-In)階段，尤其是僅需要小容量電池包的混合動力車(Hybrid Electric Vehicle；HEV)的應用。

Bp76PL455晶片可外加第二層二級防護電路，晶片通訊方式捨棄舊有SPI串列介面，改採用高速差分驅動介面來相互聯繫溝通；提供0~65°C時2mV，與-40~85°C寬溫時5mV的量測精準度，提供ASIL-D安全等級，IC與IC之間無隔離的直聯，及符合AECQ-100車用電子安全規範。