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承德科技 『IEC 62660-1性能測試』解決方案

測試目的

因應純電動車 (BEV)以及混合動力車 (HEV)發展,提供一個標準方法測試鋰電池性能,以確保BEV/ HEV電池能夠達到基本的性能要求,且測試數據也能作為後續電池組和整車系統設計參考。

哪些客戶適合使用?

-動力電池芯製造商:依照標準建議的流程與指標測試電池芯性能,對自家不同配方電池或競品皆可提供具信賴性的比較基準。提供性能指標數據給客戶時,也更具公信力。

-電動車廠:可依照標準建議的流程與指標驗證電池芯供應商提供的數據是否確實,或在一致的基礎上評比多個電池芯供應商提供的電芯性能,且依驗證數據調整電池組及整車系統設計,以發揮最大效能。

測試標的

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測試項目內容測試結果測試參數與流程時間 (D)
7.3 容量測試量測電池芯容量容量將電池芯充分充電,待其達到溫度穩定後再充分放電,以計算容量。~15 HRs
7.4 SOC調整

因應其他測試項目需求
調整電池芯SOC,以符合規範

n/a將電池芯充分充電,待達到溫度穩定後再依需求的SOC (%)進行放電。~15 HRs
7.5 功率測試了解電池芯在BEV和HEV應用下所呈現的功率特性

1. 重量功率密度
2. 體積功率密度
3. 回生功率密度
4. 體積回生功率密度

量測電池芯體積和重量後,依測試環境需求調整SOC。
再對電池芯進行電流-電壓特性測試,後依據測試結果計算重量/體積
功率密度與重量/體積回生功率密度。

~8 Days
7.6 能量測試了解電池芯在BEV和HEV應用下所呈現的能量密度

1.體積能量密度
2.重量能量密度

量測電池芯體積、重量和容量,並利用容量測試的數據計算體積能量
密度以及重量能量密度。

~15 HRs

7.7.2 儲存測試
-電荷保持測試

了解電池芯在儲存及運輸狀態下電荷保持能力電荷保持率

將電池芯SOC調整至50%,待達到溫度穩定後再於室溫下充分放電。
再調整電池芯SOC至50%,於45℃儲存28天後回到室溫穩定,
此時將電池芯充分放電,並計算放電容量以及電荷保持率。

~1 Month

7.7.3 儲存測試
-儲存壽命測試

了解BEV和HEV應用於儲存或未使用的情況下電池芯衰退特性

1.容量
2.重量功率密度
3.體積功率密度
4.回生功率密度
5.體積回生功率密度

測試前先量測電池芯容量、功率密度與回生功率密度。
將電池芯調整至指定的SOC後 (BEV為100%,HEV為50%),
於45℃下儲存42天,再回到室溫使其達到溫度穩定。
以定電流充分放電,並量測電池芯容量、功率密度與回生功率密度。重複執行上述工作3次即完成測試。

~4.5 Months

7.8.2 循環壽命測試
-純電動車循環測試

了解BEV應用中電池芯正常充放電情境下的衰退特性

1.容量
2.動態放電容量
3.功率
4.各種測試製程、
循環執行的次數以及時間

測試前先量測電池芯起始容量、動態放電容量及功率。
測試時,環境溫度及電芯溫度須維持在45℃,重複執行為期28天的充/放電循環測試。
每執行28天後,量測電池芯容量、動態放電容量及功率。
當28天充放循環測試已執行6次、電池芯績效指標衰退量已達起始值
80%或測試過程中電芯溫度過高,即結束測試。

~1.5 Months

7.8.3 循環壽命測試
-混合動力車循環測試

了解HEV應用中電池芯正常充放電情境下的衰退特性

1.容量
2.功率
3.充電製程/放電製程執行的次數
以及達到電壓轉折點的次數

於測試前,先量測電池芯於25℃時的起始容量及功率,
之後設定充/放電轉換的電壓轉折點。
測試前,環境溫度及電芯溫度須維持在45℃且將電池芯SOC
調整至80%,後重複執行充/放電循環製程,每執行7天後量測
一次電池芯功率,每執行14天後量測一次電池芯容量,
直到6個月之後或是任一績效指標衰退至起始值80%,即結束測試。

~6 Months

7.9.2.1 能量效率測試
-純電動車與混合動力車共通性測試-室溫

了解室溫下電池芯於BEV和HEV應用中的正常充電效率

1.庫倫效率
2.能量效率

測試前,電池芯需先充滿電後在室溫下放置1~4小時,然後充分放電。
接續執行100% SOC能量效率測試以及70% SOC能量效率測試,依據測試數據計算庫倫效率以及能量效率。

~21 Days

7.9.2.2能量效率測試
-純電動車與混合動力車共通性測試-變溫

了解不同溫度環境下電池芯於BEV和HEV應用中的正常充電效率

1.庫倫效率
2.能量效率

將電池芯於室溫下充分充電後,使其於測試溫度中達到穩定,再放置16~24小時後開始測試。
將電池放電,執行100% SOC能量效率測試後,依據測試數據計算庫倫效率以及能量效率。

~2 Days

7.9.3 能量效率測試
-純電動車用電池芯測試

了解電池芯於BEV應用下進行快充時的能量效率

1.庫倫效率
2.能量效率

電池芯充份充電後,於室溫下放置1~4小時。
將電池芯充分放電,再執行80% SOC能量效率測試,依據測試數據計算庫倫效率以及能量效率。

~30 HRs

7.9.4 能量效率測試
-混合動力車用電池芯測試

了解電池芯於HEV應用中的正常充電效率能量效率根據7.5 功率測試的數據,計算能量效率。~4 Days

承德科技解決方案

由於多數電池廠或電動車廠人員對於IEC 62660-1測試細節與要求並無深入了解,若自行投入研讀且按照標準要求從頭編寫測試製程,除需花錢取得標準文件外,也會耗費大量資源及時間。有鑑於此,CTE特聘請前UL資深產品經理指導,將IEC 62660-1標準導入測試設備中,客戶只需填寫電池基本資料,系統將自動依標準要求產出測試製程,點選測項即可開始測試並計算性能指標結果。測試完成後,也可依客戶需求產出測試報告供後續應用。

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動力電池成半測案例

由於鋰電池能量密度是鉛酸電池的6~7倍,相對鉛酸電池而言鋰電池重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產品重量的1/5,操作溫度範圍較廣,一般來說可以在-20℃~60℃環境下使用,循環壽命可高達1000次以上,且工作電壓高、自放電低、無記憶效應,應用於3C電子產品,如手機、平板、筆電以及相機等等已行之有年,近年來更有許多電動車廠使用鋰電池作為動力來源。

而鋰電池就這麼好嗎?先前新聞報導指出某品牌手機,甚至是電動車陸續傳出自燃,皆因鋰電池活性較高,生產過程中若製程有些許瑕疵,就可能會導致在使用過程中發熱甚至產生爆炸,因此使用鋰電池所組成的Pack,通常都會搭配電池管理系統(Battery Management System),簡稱BMS,進行電池管控,主要的功用在於防止電池組的過充電、過放電、過溫度、電芯不平衡導致電芯過充電或過放電等,通常具有量測電池組與電芯電壓/電流等功能。

因此整合BMS的電池Pack測試,就成為廠商在推出產品之前的重要把關,業界稱之為成品/半成品測試,簡稱成半測。承德科技所推出的成半測系統BPT-1100E,不僅整合安全性測試項目,也包含各項性能測試,讓所有瑕疵可被攔截在出貨前,此系統已經大量應用於電池生產廠商,包含動力電池及3C電池的Pack廠。以下為我們整理常見的成半測系統測試需求:

1各項安規測試7Gas Gauge通訊與資料讀寫
2電壓/電流/溫度精度驗證8ACIR和DCIR
3電芯動靜態壓差與溫差測試9工況模擬
4過電壓/低電壓保護測試10耐壓/絕緣測試
5過電流測試(不同階段測試)11報表產生與MES上傳
6BMS通訊與資料比對

上述測試項目會根據不同的需求有所調整,例如充放電的電壓、電流、各保護點的數值、BMS通訊數值的判讀等,基本上都可透過承德科技所提供的軟體製程設定測試參數與判定數值,即使有BMS的資訊判讀或參數寫入的功能要求,也可以直接導入業界常用之軟體Vector CANdb++ Editor所存檔的DBC檔案格式,或由客戶自行編輯通訊格式定義,皆毋需向提供BMS的Protocol給承德科技,特別是將這些資訊列為機密的廠商,承德科技的解決方案可兼顧保密問題也保留測試彈性。

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CANbus編輯介面軟體

承德科技三十餘年來秉持對電池產業的專注與熱情,提供電池業界所需各式優質生產與測試設備,能够滿足各式電池領域應用需求,從上游電池材料、電芯、電池組、鉛酸電池製造商到下游電動車廠,以及各種檢驗單位與電池實驗室等,受到全球頂尖廠商青睞。

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MES 整合案例

MES(Manufacturing Execution System),中文名稱為「製造執行系統」,其可以利用訊息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產系統進行優化管理。收集及監控製造過程中的生產資料,以網頁或是其他方式即時地傳送給使用者監看,若是生產線上遇到緊急事件,也能提供即時現場狀態的資訊,以最快速度通知使用者。

本文中的MES整合案例,主要為幫助客戶收集生產資料以及監控製造過程中的設備狀態,系統架構如圖 1所示,客戶之充放電設備在進行製程之前,會經由我司訊息傳遞平台與MES確認此次產線所使用之製程以及該批電池的流水編號,我司將確認訊息傳遞至MES後,再將編號確認結果與應使用之製程回傳至充放電設備。整個系統運作過程中,充放電設備將持續回報設備狀態,並由訊息傳遞平台轉發至我司狀態伺服器,而MES會週期性地訪問我司狀態伺服器,取得充放電設備當前狀態。當製程完成後,我司會將充放電設備紀錄的數據上傳至MES,以便於客戶後續統計應用。若是在流水編號確認階段MES給出編號不合法的訊息,則不會指派使用之製程,並且讓充放電設備提示異常,使得產線人員能夠快速應對,排除問題。

MES整合案例系統架構圖

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下表顯示我司MES整合前後幫助客戶與產線改善工作流程,由表中可觀察出我司MES整合案例應用有兩個重點,第一為即時:將產線上所有訊息以最快速的方法傳遞至MES,亦以最快方法將訊息由MES回傳至產線上,幫助客戶維持產線的高效運行;自動且即時的模式可減少重複數據填入時間、減少產線換班時的文書工作、降低等待時間等優勢。第二為承受高強度訊息:由於產線上有多個充放電設備,而每一個設備通道完成的進度皆不一樣,因此會有機會同時出現大量訊息需要傳遞的時期,因此我司在本案例中平台必須能夠經受的起同時的密集訊息傳遞需求,使得產線穩定,提高品質。

整合前整合後
1.      人工比對電池流水編號1.      人員僅需掃描編號即完成確認作業,降低錯誤率
2.      人工確認產線製程2.      產線製程由MES確認指派,不再發生人員選錯製程事件
3.      重複操作製程選擇與載入3.      人員不再需要頻繁操作電腦
4.      換班需進行大量確認工作4.      簡化換班交接的流程

由於每個廠商所使用的MES系統差異性大,因此MES整合為一高度客製化解決方案。承德科技已於數個大型3C以及動力電池廠有MES整合實績,且能夠完全滿足客戶需求,協助客戶在電池生產上事半功倍。

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承德科技智慧並聯模組簡介

應用於電動車領域的動力電池,不像3C或其他消費型電子產品,大多使用4串以內的電池芯(Cell),因為3C產品所需的電量及工作電壓皆遠小於電動車,而隨著電動車市場的崛起,動力電池的種類亦有隨之多樣化之趨勢,而應用於儲能系統之電池也有相同的情況,簡單來說,根據不同廠商或不同的應用環境會有不同的設計,電池Pack或module裡的電池芯(Cell)會有不同的串、並方式,意味著市場上充斥多種不同電量及工作電壓的電池Pack或module,而這些情況目前還在持續的發生中。

承德科技作為專業電池測試設備供應商,提供多樣化的測試設備,以符合客戶需求,於電動車或儲能應用領域亦然。然而,中高壓以上的測試設備之建置成本一直以來是客戶重要的考量因素,為不同容量的電池建置不同的測試設備,顯然不是一個符合經濟效益的商業行為,因此測試設備的並聯功能一直以來是客戶需求的重點之一。

承德科技提供了3種不同的並聯方案(Table 1),軟體並聯(Figure 1)是利用密集通訊達到並聯輸出效果,所以限制較少,在軟體通訊觸及範圍均可適用,但因為對設備端是半雙工通訊,在通訊匯流排上連接多個裝置時會頻繁發生資料碰撞降低同步效能;硬體並聯概念是由一個微控制器的類比輸出訊號控制兩個測試通道之電力迴路,所以需要修改原有電力迴路架構且通道實際距離不可太遠以避免類比訊號干擾。硬體並聯能達到相當好的同步操作效果但原有硬體架構需做相當程度的修改,以成本效益來說,不能算是一個很好的方式;智慧並聯系統(Figure 2)透過通訊盒分割與設備通訊之匯流排,降低通訊命令碰撞機率以提昇通訊命令的時間精準度,實現邊緣運算的控制與回授架構,在既有架構變更最少的情況下,同時滿足0.1秒測試程序與測試通道同步之功能需求,最重要的是彈性調整設備整體輸出電流,滿足多樣化的測試需求。

Table 1 並聯方案比較

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Figure 1 軟體並聯控制架構

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Figure 2 智慧並聯

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智慧並聯同步測試環境如(Figure 3所示,待測物為電池並利用示波器擷取分流器上的電流訊號。測試程序如(Figure 4)所示由數個0.1秒步階電流斜坡組成,實際輸出電流波型與設定相符。

Figure 3 智慧並聯同步性測試

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Figure 4 測試程序設定

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Figure 5 實際波型

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由於同步機制是實現於iBox-P上,時間控制還是會因為命令傳輸產生不確定性,如(Figure 6 a.)兩通道實際輸出有1.33 mS時間誤差、總體步階控制時間(Figure 6 b.)量測為101.5mS實際設定為100mS。因為iBox-P之間有同步機制,所以不會產生時間累積誤差的問題。如(Figure 6 c.)連續運作48小時後,總體步階控制時間量測為99.8mS 、實際設定為100mS。雖說智慧並聯並非同步操控與高頻操作的最佳解決方案,但iBox-P是目前最容易導入與整合進原有系統的處理方案

Figure 6
a. 不同步之時間誤差

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Figure 6
b. 複合性計時誤差

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Figure 6
c. 循環測試48小時後計時誤差

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承德科技致力於提供客戶最彈性化的解決方案,智慧並聯即是絕佳案例,MCL2及BT 1000系列皆可選配智慧並聯功能,並已經導入全球車廠御用之一線供應商之美國實驗室,獲得客戶讚賞。

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iBest Function功能應用案例

隨著目前市面上3C產品的增加,其檢測項目也隨之琳瑯滿目,但伴隨而來的,便是製程複雜與多樣性;例如從早期的充電、靜置、放電、靜置,到循環、Pulse、DCIR等等,其檢測項目也一一增多,其中一項須克服的,便是製程長度問題。
例如:

第一次第二次
1充電CV 4.2V 1A, EC 0.1A充電CV 4.2V 1A, EC 0.1A
2Rest, 5 minRest, 5 min
3放電CC 1A, EV 3.2放電CC 2A, EV 3.2
4Rest, 5 minRest, 5 min
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幾乎相同的製程,卻因為放電電流值不相同,導致無法用迴圈的方式撰寫,只能逐一編寫製程,造成程序攏長,同時也造成維護不易,若其中一項參數修改,則兩段製程均需要同時修改,也容易造成人員操作上的失誤;因此,我司在軟體中增加一變數功能,方便使用者能更進階的撰寫製程,減少編寫上的負擔。

變數功能主要分三個部份說明:

一,初始化:在此設定變數單位,例如電壓、電流、功率…等。

二,變數計算:用來設定變數的數學方程式,亦可直接帶入步序開頭或結束的物理量進行計算。

三,變數設定:經過計算後的變數,可直接帶入步序內,作為電壓或電流的設定值,亦可作為EV或EC的換段條件。

以上製程為範例製程僅須如下
初始化:Variable = 1 A

製程:

設定變數
1充電CV 4.2V 1A, EC 0.1A
2Rest, 5 min
3放電CC Variable, EV 3.2
4Rest, 5 min(Start)Variable = Variable +1
5Loop Cycle

當第三步序第一次執行時,Variable = 1A,隨後執行第四步序時,Variable將會再加1;因此第二次執行第三步序時,其電流值變更為2A,隨後電流設定值將隨著循環的增加也同時增加,直到製程結束。

此外亦可作為換段條件,範例如下:
初始化:Variable = 0 V

製程:

設定變數
1充電CV 4.2V 1A, EC 0.1A
2Rest 5 min
3放電CC 1A, 1hrs(END) Variable = Voltage
4Rest 5 min
5充電CV 4.2V 1A, EC 0.1A
6Rest 5 min
7放電CC 2A, EV Variable
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其製程內容為將電池飽電的狀態下進行1C放電一小時,放電到額定容量,並當下將電壓值寫入於變數當中;隨後再次將電池飽電後,進行2C放電,並已1C放電的結束電壓作為換段條件,來觀察不同電流但相同的結束電壓情況下,其電容量的差異。

變數方程式除了基本的加減乘除外,實際上還支援其他數學方程式,例如平方,開根號,絕對值等等,對於實驗性質的測試,也提昇了不少實用性;同時若使用兩個相同單位的變數,彼此間亦可拿來進行計算,增加不少彈性上的應用。

目前承德科技所有搭載iBest軟體之產品(包含BT 1000, GBT 1000, PBT 2000, MCL2, MCL2 Mini, ABT 1000, MCB, MCF Lite, MCE A) 皆支援Function功能,客戶可依據系統效能與規格需求進行挑選。

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BT-1000設備精度通過TAF認證全紀錄

承德科技BT-1000系列機種專為為滿足高階電池測試,或材料研究等多樣測試規格需求所設計,最主要的功能特色為多段式(檔位)電流精度,可自動根據電流設定自動切換檔位,最多可達4段電流,並且在不同檔位維持0.02%之精度誤差,其最主要的優點在於針對不同容量電池測試時,毋需建置多種電流規格之設備,僅需一台設備可達成四台設備之電流精準度需求,可大幅減少設備建置成本與廠區實驗室空間,另外也為材料研究量身打造多種電流設定單位機制,提升執行測試製程的效率與彈性。

目前高精度電池測試設備市場大部分以精準度0.02%為主流,因此在校正及驗證時採用的標準件就顯得格外重要,承德科技始終秉持著對品質嚴苛的要求,在校正工裝上使用TUR≧4之標準件,換言之,這些標準件要≦50ppm,並且定期委由第三方檢測單位進行校驗,以確保產品品質,客戶不必擔心設備精準度不足影響測試時的容量計算等議題。

此次我們選擇具TAF認證且符合ISO 17025的第三方檢測單位”財團法人台灣電子檢驗中心(ETC)”,來驗證BT-1000 Series產品,檢驗儀表設備符合TUR≧4需求,此次驗證產品規格為BT-1000 5V 5A/0.5A/20mA/1mA,四個電流檔位,主要驗證BT-1000設備的電壓及電流精準度,驗證項目包含充放電電壓各驗證3個點,以及充放電電流各驗證9個點,我們可以從其出具的驗證報告得知,BT-1000設備的精準度符合規範,即使在微小電流的1mA檔位,也能完全符合規範。

承德科技於開發產品的各項功能之餘,如高速脈衝、工況模擬、Chamber控制等,不會捨本逐末忽略了最基本應該維持的精度性能,除了各項符合規範的標準件以外,廠內建置的測試環境,可針對不同環境溫度進行模擬,可在設備研發、燒測過程中找到任何影響精度的因子,及早解決,此外再透過定期委由第三方驗證單位,幫忙我們也為客戶做最好的品質把關,提供給客戶規格經得起檢驗、品質值得信賴的產品。

BT-1000 5V 5A/0.5A/20mA/1mA設備外觀圖

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ETC檢驗報告

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自動校正設備的開發與實際效用

自動校正設備 – ACP series

開發動機

 

如今,工業4.0 AI工廠思維儼然成為新的第二級產業潮流,以自動化的方式解決傳統需額外人力處理的各項工作。在電池測試領域,精準度校正就屬於這一類範疇。

有鑑於我司各式電池充放電測試產品在市面上已經銷售超過三十萬個通道以上,若能自動化解決客戶端每半年或一年必須校正一次的需求,並消除兩方因校正問題所產生的額外人力成本,就能創造雙贏的局面。

故承德開發出自動校正機ACP Series,協助我們的客戶邁向電池測試自動化的進程。

 

實際效用

 

  1. 以機器取代人工 - 節省人力成本。
  2. 運用RELAY切換,模擬人工校正步序 - 節省時間成本。

ACP 自動校正比較表

 

ACP Series系統原理說明

ACP-系統原理s

 

  • 原理為以中控電腦同時控制充放電機與ACP切換至所需迴路,同時於過程中不斷讀取硬體資料、ACP機臺內電錶值,以計算當於各種充放電狀態下精度校準值。
  • 電池測試設備的系統校正值將儲存於機臺韌體與電腦軟體中,可在不搬動、拆遷機臺與配線的情況下完成校正工作。

 

 

在工業4.0的思維影響下,第二級產業正逐漸轉型。承德科技了解客戶在轉型過程中的需求,並以此客製出各項智慧配件與功能。

目前自動校正機已在實務階段大幅降低後續我司與客戶端在校正上所虛耗的人力與時間成本,無論是尖端研究、動力電池測試或是電池產線上,承德都協助客戶群成功地往自動化電池測試的大方向更進一步。

成為客戶進步背後的支持,是我們的成就,也是最大的目標。


 

 

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  • 關於SOH 

 

隨著現代電動載具與電能儲存裝置的需求提升,主要應用元件之一:電池,其狀態檢測也越來越受到重視。電池健康狀態(State of Health, SOH)就字面上很容易理解,但很難確切定義。現代多數使用放電容量作為參考指標,但是在目前廣泛的運用範圍僅使用放電容量難以評定電池完整的性能。

 

  • 電池特性參數與SOH評估技術

 

 

本次的技術文件,詳盡的提出在電池檢測上的眾多相關參數,如:電池電壓、電流、功率、容量、焦耳熱損等等較為常見的電池特性指標,並且針對每一個相關參數做出介紹與特性說明。

而我們所開發的SOH評估技術則是基於客戶的應用要求,將整體評估方式依據”時效性”與”準確性”做出”客製化加權評比”。

目前這項技術已經應用在許多測試設備上,如:MCBABT1000MCL2MCL2 MINIBT1000,並已在實務上獲得驗證,如:家用儲能系統、巴士充電站、汰役電池分容與物流電動機車的健康狀態檢測等等。

 

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兼具高速、可靠之通訊技術應用實例-Can Bus/Ethernet

控制器區域網路 (Controller Area Network, 簡稱 CAN 或 CAN bus),是一種由兩條線路所實現的匯流排網路,具有擴充性高、抗雜訊能力高且低成本等特性。其特點是不需要主機(Host)控制網路上的通訊,即可允許網路上的多個設備直接互相通訊。現今許多工廠產線為了增加產能,需要一次連接大量充放電機,其環境有著非常高的電磁干擾,而CAN Bus因為是由差動訊號做資料傳輸,在抗電磁干擾上有著很好的能力,並且不影響資料傳送的速度,可滿足高安全等級及高效率的即時控制。

 

但用在大面積廠區CAN Bus還是有著缺點,CAN Bus可藉由修改位元時序設定來修改傳輸速度,但傳輸距離會隨通訊速度增加而遞減。例如當通訊速度50Kbps時,通訊距離可達1公里;當通訊速度1Mbps時,此時的傳送距離只剩40公尺(表1)。

CAN Bus傳送距離與傳送速率

為了解決CAN Bus在遠距離無法即時傳遞大量資料的限制,我們選擇使用Ethernet與CAN Bus做結合,Ethernet為目前業界普遍使用的高速通訊技術,可提供100Mbps甚至Gbps以上的高速通訊能力,對於即時且大量資料傳遞具有強大的支援性。承德科技在PC與設備端之間使用了CNB-1011B做資料轉換(圖1),當資料需要遠距離傳輸時,在CNB-1011B與PC使用Ethernet做資料傳遞,CNB-1011B與充放電機間使用CAN Bus做資料傳遞。

圖1 CAN Bus/Ethernet系統設備連線示意圖

CAN Bus/Ethernet系統設備連線示意圖

承德科技現已將CAN Bus/Ethernet通訊技術導入BT1000MCL2MCL2 MINIGBT1000ABT1000MCBMCF LiteMCE AMCE S等系列,以達到安全、及時、高數量且高品質的優良設備功能。


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