英國業者讓BMS不只無線化還變聰明

作者 : Nitin Dahad,Embedded

英國業者Dukosi以顛覆電池管理系統(BMS)市場為目標開發了一種無線BMS,在每個電池芯內植入一顆晶片和嵌入式軟體,號稱能減輕所需線束重量並為電池本身帶來智慧功能。

 系統動力電氣化,特別是對電動車來說,意味著電池監控對於系統安全性和壽命越來越重要。一家總部位於英國的業者Dukosi,以顛覆電池管理系統(BMS)市場為目標,開發了一種無線BMS,在每個電池芯(cell)內植入一顆晶片和嵌入式軟體,號稱能減輕所需線束(harness)重量,並為電池本身帶來智慧功能。

Dukosi的創辦人暨技術長Joel Sylvester接受筆者訪問,解釋了該公司解決方案與市場上已有的無線BMS解決方案有何不同,以及其技術對電池產業發展帶來的意義。他表示:「我們開發的是一種用於非常高電壓鋰離子電池組的電池監測設備,電動車、電動巴士、船舶應用、電網儲能等應用都屬於這種類型。」

「基本上,現在任何需要大電池組的東西,都轉向採用或已經改用鋰離子電池。因為該類電池內部的能量很大,需要非常密切監控,時時注意電池電壓與溫度等狀況,以確保電池組安全並盡可能延長其使用壽命;」他進一步指出:「我們開發的是矽晶片與配套軟體,能用以監測個別鋰離子電池芯的電壓、電流、溫度以及其他許多參數。」

那麼Dukosi的產品將如何顛覆市場?Sylvester表示:「可以在電池芯內放入晶片就是一大顛覆,如此就能催生一顆智慧電池芯,並且將之組合成各種尺寸、形狀與和配置的電池組。你可以用相同的智慧電池芯打造多樣化的電池產品;這將更具顛覆性,因為改變了電池產業監測與管理電池的方法。」

他表示,在與潛在客戶交談時,他們首先提到的就是想擺脫線束;「電池組業者很討厭那些線束,因為它們降低了產品可靠性,也容易造成安全問題,而且為設計、製造和安裝帶來高成本;所以擺脫線束始終是他們的首要目標。其次則是量測品質,我們可以在每一個電池芯以完全相同的方式、位置進行溫度量測,以提升電池組的性能。」

電池管理的必要性

Dukosi表示,業界咸認電池監測對電池安全性和最佳使用壽命性能至關重要,特別是在電動車中的應用;不過目前的監測方法是從繁瑣的舊技術演變而來,有一種真正無線、全新的方法,並具備快速、靈活的邊緣運算優勢。

BMS的主要功能是保持安全充/放電,以降低電池劣化、損壞甚至起火燃燒的風險。此外其優勢還包括能準確掌握電池組的充電狀態(state-of-charge,SoC),以判斷車輛的行駛距離,降低所謂的「里程焦慮」(range anxiety),並縮短充電時間。

此外,隨著時間推移,諸如溫度、電壓和充/放電週期等受監控資訊的累積,能反映電池的健康狀態(SoH)。在電動車汰舊時,電池的SoH會是二手交易的破壞性因素,無論是轉售車輛或是將車輛的電池組轉為任務較不繁重的應用,如電網儲能。最大化延長電池壽命能降低電池的生命週期成本,並最小化回收所需頻率和成本,從在整體上減少對環境的影響。

電纜一直是個問題

過去十年來,電池監測的重要性在工業和電信應用領域已得到認可,因為這類應用的備援非常重要。為伺服器叢集的不斷電系統(UPS)供電之48V鉛酸電池陣列,可以負擔連結龐大集中監控硬體與每顆電池的線束,然而對於環境高度封閉、惡劣的電動車內部800V電池組來說,那並非理想的解決方案。

不過這實際上就是目前傳統BMS的典型配置,而且由於高電壓以及因振動導致電線磨損的風險,連接至電池組的電纜尺寸必須大於承載訊號所需,也導致相關的重量增加和空間消耗,更不用提安裝成本。

為電動車開發「無線」電池監測方案,似乎是因應以上挑戰的一個顯著的解決方案。現有的無線BMS解決方案是從舊有模組化架構演變而來,負責監測數個電池芯組成的電池組電壓,產出的類比數值在電池組內建的多個模組之一內部進行多工,「數字化」(digitized)之後藉由射頻鏈路傳遞至中央處理器。

受多工器(multiplexer)的額定電壓限制,無線BMS所監測的電池芯數量通常為12或14個,每個電池芯可達到約3.7V。而受監測的電池芯數量朝著16個或更多發展,為了不增加所需的多工器數量,就會提高在IC製造過程中使用高壓技術的需求;這不利於本地資料彙集與處理的結合,必須以集中模式完成,從而為RF連結帶來瓶頸。

更顯著的缺點是每個多工電池芯電壓量測精度會降低電池組性能,並且需要較長的實體電纜連接到每個電池芯。雜訊拾取(noise pick-up)是另一個問題,必須密切注意RF天線的位置,以確保每個模組都與中央接收器之間維持「視線範圍」(line-of-sight)距離,否則就得構建複雜且不可預測的網狀網路,帶來資料速率和延遲風險。

為電池打造的「邊緣運算」

為此Dukosi採用了「邊緣運算」的概念——個別監控電池芯,在本地處理並詮釋讀數,以無線方式瞬間傳輸,並在一定時間內由專有嵌入式軟體創建的直方圖(histogram)格式彙集資料。該公司表示,其超低功耗硬體是一顆由受監控電池供電的微型CMOS晶片,相容於常見的處理器核心和記憶體,不需要進行類比訊號多工,因此精度可最佳化。而且晶片直接安裝在電池上,以最大化電壓和局部溫度的量測精度。

透過使用專利NFC技術,連結天線的問題獲得解決。類似於非接觸式支付感應迴路,以纖細的低電壓的單線迴路環繞電池組佈線,靠近每個Dukosi監視器,鬆散耦合至感測器上的迴路中,實體間隔距離只有幾毫米(mm)。這確保了快速和穩健的資料連接,並且足以輕鬆提供最高電池組電壓所需的電氣隔離。

每顆IC都有唯一識別碼,並由無線電管理器(radio manager)透過NFC連結進行輪詢(polling),無線電管理器控制通訊過程,並將資料傳遞給車輛管理電子設備。該晶片是經認證的ASIL D規格元件,電池組則是具備ASIL D等級,因此整個系統的設計是安全的。

 

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Dukosi開發的晶片與配套軟體可以個別監控鋰電池芯的電壓、電流、溫度和許多其他參數。

(圖片來源:Dukosi)

 

Dukosi的方案將「不關機」的智慧功能內建於電池組,就算電動車不使用時,也能長期紀錄電池使用情況與性能資料;這些資料可用以詮釋電池的健康狀況,甚至作為電池在生命週期任何時間點的參考依據。隨著硬體、纜線和安裝成本的降低,所有類型的電動車以及更廣泛的儲能應用,都能享受到這種「終身」優勢。

Sylvester也解釋了Dukosi是如何以不同方式實現無線BMS;「當你需要鋰離子電池進行量測,會發現市面上來自知名半導體業者的現有元件,與1990年代後期可取得的幾乎完全相同。在這麼長的時間裡,相關技術沒有什麼實質性的進步,而且這些方法一直以來試圖同時處理更多數量的電池芯,從12個增加到14個、再到16個,從而走上了一條得往越來越高電壓發展的不歸路。」

「雖然我們的產品一次只處理一個電池芯,會需要的數量很多,但對電池的量測品質非常好──我們的量測精度是業界領先。我們可以測量每個電池芯的溫度,也可以在電池芯上執行演算法,以充分瞭解鋰離子電池的充電狀態、健康狀態,或是許多其他特性,我們可以在一個電池芯上做得非常非常好,然後可以將它們輕易連結成一個電池網路,不需要額外的連接器,沒有線束或其他東西,那些都不用了!」

「那樣的電池網路能直接告訴你有關於電池系統的所有資訊,不用電纜、不用連接器,不用原先支持相關功能所需的所有機械結構,確保不會再有那些纏繞的線束,讓量測裝置或感測器能正確待在你需要它們執行量測的位置。」

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年2月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Wireless BMS eliminates wires, adds intelligence to each battery cell,By Nitin Dahad)

 

 

 

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