电动与油电混合车电池管理解决方案

为了解决电池芯制造品质、使用时内部阻抗与输出电压？电流的不一致，电动车？油电混合车导入BMS电池管理系统，来做电池蓄能与动力输出的平衡负载。德仪以累积类比半导体多年的制造经验，推出高整合性多通道被动式均衡负载、主动式均衡负载的BMS芯片解决方案，协助车厂建造更具智能、能行驶的更远的HEV/EV。

德仪协助车用电子厂 提供BMS的关键核心芯片

德州仪器(TI)资深业务发展经理陈放女士，先为德仪BMS(Battery Management Solution)正名，它代表提供电池管理所需IC元件？零组件的完整解决方案。客户基于德仪BMS解决方案来进行二次开发，根据不同车型以及不同电池材料类型，最终得到一套电池管理系统BMS(Battery Management System)。

德仪BMS产品线包括：单电池芯充电器(Single Cell Charger)、多电池芯串联充电器(Multi-Cell Charger)、单电池芯计量(Single Cell Gauge)、多电池芯计量(Multi-Cell Gauge)、多串电芯保护以及汽车BMS。

在2011年9月底，德仪以63亿美元收购美国国家半导体(NS)，两家公司原本各自有自己的汽车BMS设计团队，经过整合之后，成立全新的德仪BMS团队。除了BMS汽车管理解决方案之外，德仪在传统汽车以及电动车的涵盖领域也相当多。德仪有80多条产品线，拥有7万多个产品，涵盖到汽车影音系统、能源管理芯片、胎压侦测系统(Tire Pressure Monitor System；TPMS)、类比定制化芯片、DLP/HUD投影机？抬头显示器、RF射频芯片、车载信息系统、能源芯片与光源芯片、行进路径解决方案(Datapath Solution)等。

德仪提供完整的电动汽车电池管理解决方案组合，同时具备高效能，在整个宽温范围内提供量测电压精准度，以及高噪讯环境下最可靠的通讯传输模式。今日仅一家IC供应商能提供领先产界的汽车安全完整性标准(即ISO26262) ASIL-D最高等级。德仪与国家半导体结合创新文化，已成为全球高容量电池BMS的第一IC供应商。

锂电池安全性问题肇因于一致性

陈放提到大家对于锂电池安全性问题的关注。无论是电动车(EV)、油电混合车(HEV)、电动摩托车？脚踏车，如何让锂电池在使用的过程中，跟电池管理系统BMS充分配合，作为车用储能系统的电池组，绝对是必需达到高安全性(不闪燃、不爆炸)、高功率，具备快速充电、良好的化学稳定性及较长充放电周期寿命；同时具备高能量密度、重量轻，以及有内部阻抗？输出电压？电流的一致性、耐高？低温、成本以及续航里程(Driving range)。

她提到，设计EV/HEV电池管理系统的难点在于：1.电池芯问题(Cell Issue)；2.串联系统问题。由于一个电池芯仅能提供3伏多的电压，因应电动车300多伏甚至电动巴士500多伏的电压需求，需要将许多电池芯串联在一起。对电池芯而言，就需注意均衡要求、寿命与放电深度、热管理、品质担保等；而串联系统的问题则在于高压、电池芯与芯片内部的极联、纵向通讯、干扰、负载冲击、信号跳变、零组件绝缘隔离、装配隔离、家里或办公室充电、电池健康监控等。

德仪车用电子BMS产品蓝图

陈放揭櫫德仪从2011年到2013年完整的汽车BMS产品蓝图。2011年支持监控与均衡功能的bq76PL536A-Q1 BMS芯片，提供3~6颗电池芯被动式串联平衡负载防护；EM1454芯片则提供6~14颗电池芯被动式串联平衡负载功能。2011下半年EM1451芯片提供6~14颗电池芯被动式平衡负载与防护功能。

到2012年，bq76PL455-Q1芯片提供8~16颗电池芯的被动式平衡负载与防护，并开始送样；以及支持8~12颗电池芯的主动式平衡负载与防护的bq76PL456-Q1芯片，支持4~12颗电池芯。

Bp76PL536A-Q1芯片是整合ADC并支持六通道被动均衡负载的BMS芯片。支持电池二级防护机制，未来会因应客户对前端采集与二级保护整合与否，推出各别因应的产品。

Bp76PL536A-Q1适用钴(Cobalt)、磷酸铁(Iron-Phosphate)、镍钴铝合金(Nickel Cobalt Alumium；NCA)、钛等电极？电池材料，最大装置堆数32组(192颗电池芯)，支持最高ASIL-D安全等级，以及1mV的量测精准度。采用菊链(Daisy chain)串接而无须绝缘组件，并以SPI界面做1Mb/s数据传输。

陈放介绍一个以Bp76PL536A-Q1芯片设计的BMS系统架构示意图。芯片与芯片之间的通讯，在底部透过一个MCU，然后给到主控端，另外会有个独立的二级保护组件。

EM1454芯片组由EMB1432(14 channel AFE)、EMB1426(14bit ADC)、EMB1441、EMB1485(低噪讯LDO)、EMB1408(切换式降压元件)、EMB1402(8 channel Temp Sensing)与EMB1472(reset IC)等7颗芯片所组成，这7颗芯片建构了14通道被动式均衡功能，1mV的量测精准度与最小100mA均衡电流调整，每个通道可量测从-2~5.5V的电压范围，避免偶而的极性偏转；每个模块支持最大60伏特，同时它具备八通道温度传感与可堆叠设计，可应用在温和操控的插电混合动力车、混合动力车、电动自行车与电动摩托车，小型专属运输电动车(Small Task Oriented Vehicle；STOV)等。同时德仪也提供相关数据规格表、样品与工程板。

被动均衡与主动均衡的差异

陈放指出德仪的主动式均衡技术，专注于锂离子电池的双向隔离电感的均衡。当前均衡技术之一为被动耗散式(Dissipative/Passive Balancing)：在充？放电过程中，对高于设置电压值的电芯进行放电，以求达到整组电芯电压趋于一致，多余的电压？电流藉由外串电阻消耗掉；其缺点是会额外造成能源的损耗，温度上升也会使锂电池寿命减少，较适用于2,000WH以下的小电池包，同时成本较低。

另一种则为主动式均衡技术，有能量转移型(Charge Shuffling/Power Pump)以及隔离式DC-DC主动均衡型(Isolated Inductive Balancing)。前者是藉由电容电感一节一节的接力方式进行能量的转移，但仍会有能源损耗以及充电路径过长的问题。

后者则是德仪推荐电动车所采用的主动均衡方式：每个电池芯藉由矩阵开关控制变压器与充电线路的组合，形成一个有调整功能的电压？电流「蓄水池」的功能，当电池芯由于多次充放电后产生不一致性而导致整组电池充放电容量下降，可藉由后端连接蓄水池的线路做调整，充电时不会因为监控到某个电池芯内压过高而停止充电，放电时也可以完全的100%的释放能源，进而延长电动车的行驶距离。

德仪在隔离式DC-DC主动均衡技术的能源转换效率高达87%。像EM1451芯片组由9颗核心芯片加上5颗电源供应芯片所组成，其中最主要的EMB1432十四通道AFE芯片、EMB1428七通道闸控制器芯片，与EMB1499七通道电压控制芯片等，来建构十四通道双向主动式电池芯均衡功能，串联14颗电池芯与最高60V工作电压，提供5V双向均衡电压与最大750V堆叠输出电压能力，并满足AECQ-100车用电子验证标准。

主动式均衡负载技术 延长电池寿命与行驶距离

陈放提到，德仪不仅仅是提供产品规格表与工程样品，也针对全球客户提供主动式均衡负载应用的评估工程板EM1401，包含PCB布线图、EM1401评估软件等，均无偿提供给客户。

据德仪之前跟某车厂合作的研究显示，以一并联96串联的66Ah 3.6V电池包，其中一颗电池芯已充放电循环3,000次，储存容量减少25%，其余95颗电池芯在3,000次充放电循环内，在这样不一致性电池包的测试下，主动均衡负载技术可以延长整个电池包25%的使用寿命。

另外在2010年上海世博会中，他们曾评估一辆采240Ah电池组、已营运多时的纯电动巴士，起初设计标准充饱电可跑150公里，但会场上实际行驶距离仅83公里；经他们改造为主动式均衡BMS之后，在不更换既有电池芯的情况下，行驶里程可以达到105公里，延长了26%的行驶距离。

陈放最后介绍即将于2012年年底量产的bp76PL455 BMS芯片，它具备十六通道最高5V电压的被动式均衡IC芯片，目前已广为各汽车、车用电子大厂导入设计(Design-In)阶段，尤其是仅需要小容量电池包的混合动力车(Hybrid Electric Vehicle；HEV)的应用。

Bp76PL455芯片可外加第二层二级防护电路，芯片通讯方式舍弃旧有SPI串行界面，改采用高速差分驱动界面来相互联系沟通；提供0~65°C时2mV，与-40~85°C宽温时5mV的量测精准度，提供ASIL-D安全等级，IC与IC之间无隔离的直联，及符合AECQ-100车用电子安全规范。