搭配精準型SOC量測/電池平衡方案 48V汽車電力系統能效大增
現今私人交通工具有12V電池與相關電源管理系統(BMS)管理的電動操控系統，但是以下兩項需求都使12V電力系統達到極限。
首先是歐盟制定2020年汽車與貨車標準，規定汽車製造商的二氧化碳排放目標為95g/km。
從現有解決方案來看，只有引入電氣化動力傳動系統才能達到這項標準。再者，消費者需求會帶動理想功能在未來廣泛被採用，像是氣象控制、導航系統、車載娛樂系統與座椅加熱，還有防鎖死煞車系統、循跡控制系統等先進安全系統。以上兩種因素驅使12V電力系統負載超越原本3kW的極限，結果是電池壽命會減少，車主會因此對自有車輛電池短暫的壽命感到不滿。
48V汽車電源系統 電池管理設計更複雜
現在有兩個重大的汽車電源系統改良，可以有效解決這些問題。第一，交通工具製造商希望製造出48V匯流排，這種高壓網路讓高達10kW的負載能被相同或是較窄直徑的電纜所支援；第二，傳統鉛酸電池無法取代常見的LiFePO4/LiTi2O3鋰電池，因為鋰電池能夠有較長的充放電週期與生命週期。
但是新款48V系統須要改變許多汽車內的拓撲結構，該系統由12V系統並聯而成，只提供這些需要高壓輸入、輸出的功能，並延續使用12V匯流排的部分功能。一個直流對直流(DC-DC)轉換器能讓電池電力在電壓域間調配。新48V系統可能須要改良如控制器區域網路(Controller-Area Network, CAN)等通訊系統，最後採用有足夠容量以支援電力使用量持續攀升的新型鋰電池，但是這需要比一般鉛蓄電池更複雜的電池管理與診斷系統。
電動汽車設計人員的挑戰是如何應用電池管理系統提供安全行駛、電池壽命長，並在不需要複雜的電池線路設計中，使用大量的零件將低壓與高壓域分離。由於48V汽車電源系統發展尚處於起步階段，因此目前沒有單一、首選的架構或是解決方法能達到這些目標。
48V電源管理系統的主要功能
圖1中的線路顯示高度整合的方法；此種設計方案應用很簡單，而且能同時提供極精確的電池電壓與電流的測量，也精準支援所有電池放電的平衡，使能源儲存極大化，任何電壓水平下都能將充/放電週期極小化。以下將介紹此種48V電源管理設計的主要功能。
 |
| 圖1 電池管理系統不僅擁有極精準的電池平衡，也僅需要極少的元件數量；並且AS8510與AS8601可以由單一AS8615取代。 |
該功能是電池管理系統的正常需求。現今12V汽車能自動啟動/熄火，因此電池放電(SOC)不能低於50%，以確保永遠能有足夠能力驅動引擎啟動機制。但是這在48V電源系統中卻出乎意料的難以達成。圖2中，鋰電池系統–大部分是LiFePO4A型，有非常平坦的放電電壓曲線。也就是說，輸出電壓下降的非常緩慢，只有在放電趨近於零時，下降速率才稍微加快，也比較能測量到(圖2)。
 |
| 圖2 鋰電池電壓下降幅度比鉛蓄電池小。 |
但是，這會使得SOC測量判定失效。事實上，監測鋰電池SOC最好的辦法是測量開路電壓以建立測量起始點，與執行「庫倫電量計算(Coulomb Counting)」測量電池總電流。但是這需要精準度高的電壓渠道，與零偏移的電流測量路徑，而圖1所示的電池感測器介面能同時達到兩種需求。
圖1電池組測量設計整合了兩個16位元ADC與具訊號調節功能的AS8510，也結合了AS880x高準確度衰減器：此線路的精準度高於一般離散式應用裝置，並達到0.2%。
同樣的感測器介面也應用了「庫倫電量計算方法」，並且搭配德國電阻供應商Isabellenhuette的100μΩ錳銅分流電阻(Manganin Shunt Rresistor)。AS8510的特性能與特定分流器匹配，設計人員可以因此在整個汽車溫度範圍內有高於0.5%的系統級精準度，並且在整個測量範圍內達到零偏移。
‧電池平衡
圖1中的系統設計也能提供電池平衡，這需要有鋰電池。如同鋰電池組，鉛蓄電池由許多獨立的電池或是電源儲蓄單位組成。但是不同電池之間的電壓分布會不均勻，也就是說有的電池比其他還早充飽電，電池管理的目的是確保所有電池都能有相同的放電水準。電池管理系統越能接近這項目標，電池容量越大、生命週期越長。
在鉛蓄電池組中，這些電池必須要能容忍過度充電。這能應用在電池平衡技術，讓充飽電的電池消除額外能量，例如熱能，同時讓剩餘的電池能繼續充電。
但是鋰電池對於過度充電極度敏感，因此這項技術無法應用於平衡鋰電池。相反的，必須在電池充/放電周期間持續放電。這項功能廣泛運用在包含鋰電池的消費型裝置，但是這項任務會因為電磁兼容(Electro-Magnetic Compatibility, EMC)嚴苛的需求，而在交通工具變得複雜。
如圖3，這款來自奧地利微電子(ams)的新型AS8506晶片使用內部同步零偏移比較器，能對須要平衡的電池做局部決定。不像一般電池平衡設計，系統不需微處理器就能管控。
 |
| 圖3 用於三至七顆鋰電池的獨立型被動平衡器設計 |
這樣有兩個主要的優點，首先是比較容易應用，因為它消除了微控制器編寫應用軟體的需要，也消除了高數據率訊號路徑(High Data-rate Signal Path)，進而不會在EMC敏感的環境內部產生問題。再者是這樣會更精準，因為電池監控數據不會損害類比數位轉換。
使用高電阻電壓分頻器可以分隔兩種電壓域。如果出現故障，一個與3.9V齊納二極體(Zener Diode)合併的串聯電阻能夠在損害其他元件或是橫越CAN之前，消散過壓。此設計不需要如光學或磁耦合器等昂貴元件，就能安全隔離電壓域。
交通工具應該捲入意外嗎？還是電池應該達到它能控制的極限呢？明智的做法是將電池組與48V路徑完全切斷。
其他可行方法有汽車長時間不使用，或是在電池正電壓軌上配置一個高功率繼電器。
最後，AS8601系統基礎晶片(System Basis Chip, SBC)提供電源給整個電源管理系統，並整合CAN收發器。
48V匯流排技術降低CO2排放
新的48V能源系統是大幅減少內燃式汽車引擎能耗的其中一種方法，這也使汽車供應商能販售電源週期較長的新型汽車給消費者。
研發的成本與電網拓撲的再設計會阻礙現在的部署，但是由於鋰電池價格的急遽下降與外界施壓，汽車供應商減少了商品的二氧化碳排放量，48V匯流排技術已在突破邊緣。
新型的設計不僅可以應用現有晶片，並且也已通過業界認證，擁有最精準的SOC測量與電池平衡。
