【慧聰電子網】在半導體業者的努力下，新一代電池堆疊監控晶片已可同時比較電池電壓與參考電壓，達到更精密且精準的電壓檢測，以及可靠的電池狀態評估，并大幅降低目前汽車鋰電池管理系統(BMS)對軟體與高流量數據傳輸設計的需求。

    如果歐洲政府能邁向另一個成功，未來幾年內我們將看見更多混合動力車與純電動車行駛于道路上；而由于目前汽車以鋰離子作為電池化學物質的首選，鋰電池管理系統(BMS)勢必在將來迅速盛行。

    在汽車領域中，許多新設計案件都有ISO26262功能安全標準的影身影；從ISO2626設計與文件制作過程，看得出技術人員對于汽車系統設計所做的努力。鋰電池BMS的應用涵蓋復雜的軟體與先進處理器的設計，讓汽車供應商希望能納入比ISO26262協定更多的資源。

    新的電池管理系統架構只需要簡單的低階微控制器(MCU)，同時還能改善電池監控性能。本文將闡述它的結構，以及如何使遵循ISO26262協定的過程更加順利。

    汽車系統設計首重功能性安全

    現今汽車設計系統對于功能性安全的考量，已逐漸超過原先對外觀設計的注重，而且嚴謹的安全設計需要良好的故障檢測功能，才能確保系統在一般使用情境中是安全的。以上都是促進功能性安全設計發展的因素。

    在安全要求較高的系統內，遵循協定的負擔會因為半導體制造商嚴謹的行為模式與硬體元件流程設計的文件制作，而大大減輕，如車用IC開發商提供客戶故障時間(FIT)、錯誤模式與安全功能等數據，并記錄在“失效模式影響與診斷分析數據(FMEDA)”上。

    若須從監測系統中的鋰電池讀取重要電壓讀數，BMS要在感測器與高階處理器間，建置結構復雜的軟體與高靈敏的通訊連結。然而，要進一步證明這些連結符合ISO26262功能安全標準，對BMS制造商而言會是很大的難題與挑戰。

    新BMS設計架構出爐

    BMS的基本功能是安全地管理電池、延長它的生命周期與縮短充電時間。以鋰電池而言，BMS會持續提供充電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)與電壓的狀態，讓駕駛掌握運作情形；而系統也會以此決定充電或放電的程序、診斷潛在失誤并執行因應措施以確保功能性安全。

    化學電池的本質是利用可燃物質與氧氣提供小容量的能源儲蓄能力，所以鋰電池比一般密封的鉛蓄電池更無法容許物質濫用，特別是電池電壓與電池溫度必須根據規定嚴格控制，以避免電池損壞、失效與燃燒等會威脅到安全性的隱憂。

    在業界所研發的新結構中，BMS采用電池組監控器與電池監控系統。電池組監控器能測量電池整體的電壓、溫度與電流，是由雙通道感測器介面及精密分流電阻與精密電池組電壓衰減器實作而成。

    電池監控器能測量個別電池電壓與特定區域溫度，只要比較總電壓與量測到的電池電壓，它就可以確認BMS是否良好運作。這種設計的好處在于它是由完全獨立的測量系統，來驗證涵蓋感測線至軟體比較器的整個電池測量訊號路徑。與傳統讓每顆IC都符合功能性安全的設計相比，新的架構可提供更全面的系統層級驗證。

    目前的傳統結構雖然能精準量測個別電池電壓與檢測電池SOC，然這種方法與鋰電池特性沖突：鋰電池電壓在放電20?80%之間幾乎不動，裝置必須能測量到極微小的電壓，才能準確追蹤SOC變化，但車用鋰電池會耗費所有時間在檢測SOC放電狀態。由于電池必須保留頂部空間以吸收運轉產生的再生能量，因此一般來說不會將電池完全充滿。

    想要達到極精密與精準的汽車電池電壓量測試，是幾乎行不通的。相較之下，以零偏移的晶片進行分流器電流檢測會更簡單、精準，它加強庫倫整合方法，即使由相對不精準電壓來計算，也能有精準與可靠的SOC評估。

    過度復雜的軟體漸不適用

    當監控電池電壓時，目前慣用的方法是先依序測量個別電池電壓，并盡可能即時傳送數據至主機控制器�？刂破鬈涹w會將電壓與電流讀數轉換成SOC、SOH與電池安全工作區分析等實用資料。

    此方法主要的缺陷在于對復雜軟體與高流量數據傳輸的需求。

    ．BMS需要有良好處理能力的控制器才能負荷復雜的程式，但是價格相對比較昂貴。

    ．復雜的安全系統軟體設計與功能性安全驗證，會需要很長的研發時間與很高的成本。

    ．感測器與主機間的電壓讀數傳輸時，系統必須克服噪音與隔間的干擾，同時管理高電壓至低電壓區域傳輸。隔離耦合器與外殼等的外部元件也會增加系統的成本與復雜度。

    提供更簡化結構區域電池監控問世

    現已有汽車鋰電池的全新管理技術可以應用，此技術采用可進行區域監控的新IC。電壓測量以類比功能執行，透過比較器將電池電壓與參考電壓做比較。

    關鍵在于將電池電壓同時進行比較，而非依序量測，這會提供更多可靠結果。在連續系統中，一個電壓測量值與下一個之間的區間負載變化，會造成不同電池間的電壓，其電壓差異容易誤導管理者，因為沒有復雜的應用軟體與帶時間標記的電壓讀數、電流測量配對，往往會有無效的BMS讀數，進而為考慮到負載變化而進行電壓讀數補償。以上為該軟體擴展至現今BMS系統的開發與規范流程。

    新一代的電池堆疊監控器IC(圖1)，電池電壓可同時與整個電池鏈比較。而電池鏈則由三十二個各能支援七個電池的IC堆疊而成，總共有二百二十四顆電池。因為新款電池堆疊監控晶片是同時比較所有電池，而非依序比較，因此不需另外的軟體程式來補償負載變化產生的效果。至于SOC與SOH評估的部分，傳統BMS整合了12位元連續漸進暫存器(SAR)類比數位轉換器(ADC)以測量絕對電池電壓。每當需要SOC/SOH評估和診斷時，這些測量數據就會透過菊花鏈(DaisyChain)低速傳送到主機。所有需要即時完成的監控與平衡決策，會在硬體上進行，直接由診斷標志做溝通，因此快速并非溝通通道的必要需求。

    圖1新一代電池堆疊監控晶片可同時比較電池電壓，因此省去依序執行電池量測并在軟體中比較時所需的復雜補償演算法。

    新一代電池堆疊監控晶片能讓各模組中的七顆電池電壓比較誤差范圍縮至僅±1mV。整合的比較功能讓該晶片能實現局部電池被動平衡。汽車制造商采用的高品質鋰電池中，自放電電流或電流監控IC引出電流之間的微小差異，會產生電池間的SOC不平衡，進而產生電壓。

這些微小的平衡差異可以由小于100毫安培、上述可程式臨界值上限電壓的電流平衡放電糾正，這是該晶片中具備的切換能力。

    新款電池堆疊監控晶片不須要與主機通訊就能達到電池平衡，其極高的電壓精準度能夠平衡SOC中間的磷酸鐵鋰電池，而這七顆電池之間的電壓差，則微小到甚至能被忽略。為支援BMS，該晶片必須把它的絕對讀數傳給控制器，但是對系統設計師來說，由于該架構支援雙向溝通，比較容易達到安全性功能目標。診斷訊號有先后處理順序：當電池電壓在安全臨界值，訊號必須馬上送至控制器，以采取必要的反制措施。訊號會透過專用CVT_NOK_OUT點傳送，以警告微控制器有一個或多個工作電壓范圍外的電池電壓。

    SOC與SOH監控的目的在于透過替代連結傳送個別電池電壓讀數，該替代連結為緩慢且穩定的通訊通道序列與循環冗余核對(CRC)，具有高度的抗干擾性。

    鋰電池監控與平衡若采用可提供同步電壓比較與區域被動電池平衡的架構，整體應用會更簡單、成本也能降低，讓汽車制造商免于成本過高的困擾，也能降低目前鋰電池管理系統中以軟體為基礎的汽車監控與平衡的復雜度。

    隨著環保問題越來越多地受到更多國家的關注，新能源汽車也不斷地在更多的國家被研發推廣。不過，值得注意的是，作為新能源汽車產業鏈中的重要組成部分，動力電池發展在提高性能的同時，回收與再利用模式的探索已成為一個不可忽視的問題。

    應及早研究再利用問題

    最近一段時間，我國不斷出現的嚴重空氣污染，引起了老百姓及國家相關部門的高度重視。對此，有關專家表示，未來國家可能進一步加大對新能源汽車的政策支持。一旦電動汽車市場規�；瘑�動，將給動力電池市場帶來爆發式增長。

    據了解，目前我國動力電池研究主要集中在提高其安全性能及使用壽命等方面，而回收利用環節卻嚴重脫節。比如作為動力電池的鋰離子電池不含汞、鎘、鉛等毒害大的重金屬元素，但其正負極材料、電解質溶液等物質對環境還是有很大影響。有研究機構預測，隨著電動車需求全面攀升，到2017年鋰將供不應求。因此，應及早著手研究動力電池回收及再利用問題。

    很多人都知道，動力電池價格偏高是目前限制電動汽車推廣的重要因素之一。相關資料顯示，動力鋰電池使用壽命約20年，但用于汽車動力卻只有3~5年。因在其容量衰減至初始容量的80%以下時，電動汽車的續航里程會明顯減少，但對于儲能系統來說，這些電池仍具有較大的使用價值。

    按照《節能與新能源汽車產業發展規劃(2011～2020)》，建立動力電池梯級利用和回收管理體系應該是一種可行的選擇。比如，容量低于80%的電池從電動汽車上退下后，可繼續用于電網儲能，或作為電動場地車等低速車的動力源。而從儲能設備或低速電動車上二次淘汰下來的電池，可能還有其他第三次、第四次利用。如此這種階梯式利用，可讓動力電池價值得到充分發揮，從而達到降低電池在汽車使用階段的成本，推動電動汽車提前普及。

    回收或許是未來競爭主戰場

    據中國汽車技術研究中心專家黎宇科介紹，預計2015年，動力電池累計報廢量約在2-4萬噸左右，到2020年前后，我國僅純電動(含插電式)乘用車和混合動力乘用車動力電池累計報廢量將達到12~17萬噸的規模。

    據介紹，鎳氫動力電池主要回收對象為鎳、鈷和稀土元素，回收技術工藝已經成熟；鋰電池中銅、鋁、鎳和鈷為主要回收對象。目前鋰離子電池各種正極材料中三元系正極材料回收價值最高，磷酸鐵鋰、錳酸鋰類正極材料回收價值較小，且鋰電池回收工藝成本較高。

    記者了解到，回收電池的技術路線比較復雜，比如在對廢鋰電池的處理上，首先要對其進行預處理，包括放電、拆解、粉碎、分選；拆解后的塑料及鐵外殼回收；再對電極材料進行堿浸出、酸浸出、除雜后進行萃取。

    盡管目前動力電池回收的經濟性不高，隨著應用規模擴大，資源逐漸枯竭，回收利用環節將顯示出極大價值�；蛟S未來推動行業競爭的主要場所不再是鋰資源開采，而是回收。

    從目前歐美國家的情況來看，相關廠商正在大力推進動力電池回收利用研究，為大規模商業回收進行技術儲備。例如，比利時優美科公司開發超高溫技術，處理廢舊鋰電池。豐田汽車公司與優美科合作，擬對兩款豐田汽車的鋰離子電池進行回收。美國Toxco公司在液氮環境下低溫冷凍電池使其材料的化學性質變得不活潑，然后拆解電池分離其中的材料。甚至還沒有動力電池制造商的德國，也在著手研究回收網絡體系建設。

    回收市場尚未成形

    其實，我國在這方面也有動作，但動靜不大�！豆澞芘c新能源汽車產業發展規劃》就明確提出，要制定動力電池回收利用管理辦法，設定動力電池回收及再生企業準入條件。不過據了解，目前我國動力電池回收工作與新能源汽車發展不匹配，回收市場還未成形。

    從中國汽車技術研究中心了解到，由于新能源汽車正處于研發推廣階段，并沒有大范圍使用，因此我國車用動力電池也尚未出現大規模報廢的情況，所以目前我國尚未建立專業車用動力電池回收利用體系。但從回收處理技術角度來說，汽車用動力電池與消費類電子產品中的鎳氫、鎳鎘、鋰電池的回收處理路線基本相同，主要提取鎳、鈷、稀土元素等有價值的金屬，目前國內已基本具備相應的回收處理技術。

    黎宇科表示，目前我國已有一定數量的鎳氫、鋰電池及鈷鎳再生企業，回收服務網絡逐漸擴大，已具有回收和再生處理車用動力電池的基礎，今后應有效利用并完善現有回收網絡，使其更適合車用動力電池這種資源相對集中的大型電池的回收利用。黎宇科同時建議，在建立我國車用動力電池回收體系時，應本著幾個原則：首先，要落實生產者責任延伸制；其次，對從事車用動力電池回收的企業實施資質認定；再次是制定詳細的有色金屬再生技術規范，明確鎳、鈷等有色金屬再生企業的準入資質，鼓勵高水平的專業再生企業發展。

    還了解到，2008年奧運會期間北京投入的50輛純電動大客車電池已近報廢期，如何處理替換下來的電池就已然擺在面前，成為一個正待解決的問題。

責任編輯：黃梅