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JustPower電池管理電子系統(BMS)解決方案

 2011-04-27
不論基於環保、重量、體積、續航力與使用壽命,使用鋰電池取代傳統鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池是一個必然的趨勢。由於鋰電池本身具備高能量密度的特性,使鋰電池大量應用於高級電力系統,如電力後備系統、電動工具、啟動電瓶、電動自行車、電動摩托車與電動汽車等。因此鋰離子電池組製造商必須製造安全可靠的產品以確保高能量的鋰電池模組在系統中的表現可靠度與安全性。在多串並聯的電池組中,一般會以電池管理電子系統(BMS, Battery Management System )來達到此一目的。

創揚科技以鋰電池模組設計開發的專業為基礎,結合本身研發團隊在半導體技術與電力電子的多年經驗,切入電池管理系統BMS模組的設計與生產製造,不同於一般市面上收取高額開發費用的客制化商業模式,創揚科技以Just Power品牌提供市場高品質多規格的多種BMS模組方案。針對於以鋰電池來取代傳統鉛酸、鎳鎘、鎳氫化學體系的12V/24V/36V/48V/60V系統架構,不論是大電流充放電的動力系統或是大瓦數的儲能應用均能提供多種不同功能的管理系統模組,並且支援目前市面上量產的鋰離子電池芯(鋰錳、鋰鈷、鋰鐵、三元系)之各種特殊特性,以確保電池組安全性與穩定性。

BMS會監控鋰離子電池的操作狀態,包括電池阻抗、溫度、電壓、充電和放電電流以及充電狀態,並提供詳細的剩餘供電時間和電池健康資訊,確保系統做出正確的電源管理決定。一旦出現電流超載、短路、個別電池或電池組電壓過壓或是過熱等任何故障現象,BMS會以啟動MOSFET保護開關切斷系統與電池的連接以保護電池,避免危險發生。高級功能的BMS甚至可以監控電池使用期間的阻抗,並且注意多串電池間是否平衡,以先期防範電池微短路(micro-short)來避免電池起火或爆炸。

鋰電池安全性
1. 熱失控:不論何種化學體系,過高的操作溫度都會加速電池劣化,甚至導致鋰電池熱失控和爆炸。由於鋰離子電池含有高活性材料,在短路或大電流或過度充電都會導致電池內部溫度急劇上升,大幅增加鋰離子電池的爆炸危險。
2. 內部微短路:鋰離子電池的外殼通常是由鍍鎳金屬製成,但是在電池芯正負極板製程工序中,有可能因為金屬基板裁切後的毛刺、極片材料塗布的顆粒與密封外殼時的金屬微粒可能意外滲入電解液等狀況都會破壞到隔離膜,使得陽極和陰極之間的絕緣層失效。這會在陽極和陰極之間產生微短路,會使得電池過熱、熔化、起火或爆炸。前幾年日韓系大型鋰電池製造商大規模召回不良的NB電池的主要原因正是在此。

鋰電池可靠性
鋰電池系統應採用二次保護設計,也就是在同一電池組裏提供兩種以上獨立的保護電路或機制,即可避免電池因為電壓過壓、電流超載、短路、過熱和外部零件失效而出現嚴重的故障。BMS應具備偵測電池內部是否發生微短路現象,以防止電池失效。
1. 電池計量:Just Power BMS電池計量電路是用來報告精確的鋰離子電池剩餘電力,其獨特的演演算法可以即時追蹤電池組的電池容量變化、電池阻抗、電壓、電流、溫度和其他重要訊息。電池計量電路與演演算法會自動把充電與放電率、自放電率和電池老化程度列入考慮,就算電池老化也提供電池計量精確度。
2. 溫度監控:Just Power BMS以高精度熱敏電阻監控鋰離子電池溫度,以提供電池過熱保護和充電及放電限制。
3. 電池平衡:Just Power BMS模組包含主被動式電池平衡控制功能,這是因為在多顆電池構成的電池組中,個別電池的充電狀態在許多情形下會出現差異,使得它們的電壓各有不同而導致電池不平衡。BMS可以確保這些電池在充電過程維持平衡的充電狀態。
4. 可程式化設計:針對不同系統要求與鋰化學體系,BMS要能提供更安全可靠的電池組保護功能,必須能夠提供多種充放電電壓與電流超載臨界值設定和不同的啟動與延遲時間。Just Power BMS有兩層的充電/放電電流超載保護設定值,一旦發生短路,MOSFET與電池可能在數秒內損壞,因此BMS必須靠著類比前端電路在這類故障發生時,自動切斷MOSFET。
5. 多通道獨立型保護設計:一般保護板的電池計量元件和類比前端電路雖能提供電壓超載保護,但它們仍須透過取樣才能監控電壓,因此整個保護系統的反應時間會受到限制。Just Power BMS模組採用反應快速、即時和獨立的監控器,這個監控器會獨立監視各個電池電壓,並在電壓值達到設定臨界值時啟動保護。

特點
JustPower BMS以其應用、功能與架構共分為五大產品家族--
入門基礎功能的BattCore、獨立型系統用的BattMind、電動車用的BattThink、可搭配軟體做系統管理的BattMaster與結合微機電功能的BattAdvanc。特點如下
1. 支援 4串到最多192串鋰離子電池模組系統
2. 可應用於多種配方電池組(鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰鈷、鋰錳、鋰鐵與三元或複合性材料離子電池
3. 電池保護功能(過充電、過放電、過溫度、過電流、短路)
4. 即時電池狀態顯示與回報(SOC、SOH、SOE)並支援多種通訊協定(RS232、RS485、I2C、SMbus、Canbus、URAT與RF無線傳輸)
5. 具多國專利之微機電主動式保護系統(僅BattAdvance系列),可主動偵測系統控制失效或不當使用或電池組失竊等情況以做出安全防護措施
6. 提供高精準度剩餘電量計算(gas guage)並支援LED顯示(BattMind系列以上產品)
7. 主被動式電池平衡技術(BattMind/BattThink系列)與模組平衡技術(BattMaster系列)
8. 支援系統開機與充電器狀態判斷、加密/解密與溝通功能(最高到32bit加密機制),可提供電池交換站使用
9. 自檢功能與錯誤報警功能,提供使用狀態記錄功能(BattThink以上系列),可做為發生事故後之黑盒子
10. 高抗干擾EMI/EMC設計,並可提供高電壓/電流與防水之特殊定製化產品設計
11. 高精度前端AFE電壓電流偵測與低功耗元件設計
12. 可程式化參數設定架構與後端ARM Base等級高速處理效能

結論
創揚科技電池管理系統Just Power BMS模組以謹慎安全的方式處理異常狀況,並在必要時立即切斷電池組。電池組可能遇到許多不同的永久性錯誤或故障,包括充電與放電電流超載、充電與放電過熱、電池組電壓超載壓、電池不平衡、以及放電MOSFET和充電MOSFET短路等故障,如系統應用製造商沒有正確使用且可靠的BMS管理,一旦發生前述的那些永久故障或是錯誤偵測,將會發生不可預料的系統與人員傷害,因此BMS電池管理系統單元對於整體應用系統與用戶的安全很重要,它應提供多種層次和強大可靠的電壓過壓、電流超載、過熱和電池不平衡保護以及MOSFET故障偵測功能,這樣才能大幅提高電池組的安全。

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