BMS電池平衡管理技術 影響電動車使用體驗
- DIGITIMES企劃
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不管是Hybrid或是Serial Hybrid油電混合的還保節能車型，或是強調全電力驅動的EV電能車，不論是否具備汽油引擎輔助，最終設計方案都需面對電池的充？放電管理與維護，同時間車輛在搭載高容量鋰或鎳氫電池的前提下，電池管理技術也必須同時兼具電池運行狀態健康監看與管理，防範電池反應過於活躍而產生安全疑慮...
發展環保車輛技術，使用潔淨的電能，其實是多數車廠都會選擇的設計方案，因為電能轉換成動能的相關零組件與設計經驗，是相對成熟且完整的，而電能的產生與能量收集，可透過如太陽能電池或是其他方案快速儲存、轉換，同時以電能型態做功後整體驅動系統也不會產生有害環境的衍生物，正因如此，電力驅動的節能車技術，也是目前車廠最關注、積極發展的應用技術。
電能在車用環境中，最被關心的幾大使用狀態為充電、儲存、驅動等方面，如何控制電能？多數都是透過Battery management system(BMS)主動電池平衡管理系統，來解決大容量鋰？鎳氫電池應用的管理方案，而BMS系統的運作效率，或是能源切換銜接的整合細節，都會影響車主操控電能或是油電混合環保車型的直接體驗。
電池蓄能與輸出表現 直接影響電力環保車使用體驗
電能最大驅動做功若無法達到峰值極限，則會直接影響車輛的動力表現與最大輸出效能，而同時行進間的動力回收，也必須利用更高效的回收機制，避免能源過度浪費，確保電能車或油電混合動力，可以達到車輛的最大巡航範圍。
尤其是主動平衡電池管理系統BMS，更是帶領環保車進入全新發展領域的關鍵技術！因為電池的應用技術與電力驅動馬達相關技術均已達到物理極限，只要在電池管理方面有更完善的方案，即可令產品有超乎同領域設計的差異表現。尤其在相關方案的實作設計方面，也有相當多的方法可實現驅動電池的主動平衡管理功能，而BMS方案除必須考量整體系統效能的最佳化要求外，同時也必須考量系統的可靠度，進而選取適當應用方案。
基本上，BMS電池管理系統可否發揮卓越的管理效能，第一個關鍵即為電池電壓的實時(Real time)測量可不可以在即時迅速完成、彙整與準確測量，尤其是電池的電壓表現，極易受到用車時的動力輸出變化、影響驅動電流大小，在實際的應用狀況是，開發工程師必須在同一時間內同時量測整個大電池模組的各個小電池的電壓現況，才能取得相對準確的電池模組電壓狀態，同時也能針對每個小電池模組來了解電池現有的健康狀態。
整合即時電池模組應用狀態 BMS為重要關鍵設計
尤其是即時偵測數據越完整，也就能夠更準確地掌握電池的健康現況，目前現有針對Hybrid、Serial Hybrid所使用的電池模組，通常因為驅動車輛的能量相對較大，多會採行大量電池模組堆疊整合，來增強其電池蓄能的輸出能力，而構組成一個大電池模組下的小電池模組，必須能夠有效掌握每個模組區塊的蓄能與電池狀態，可讓BMS動態調配整合模組提供最佳輸出能量狀態。
而BMS的控制內容，必須能準確掌握小電力模組區塊的蓄能與應用狀態，尤其是蓄能與模組溫度，必須Realtime密集監控，一方面確認最佳輸出水準，另一方面也必須能掌握元件是否處於安全狀態穩定輸出，避免單一元件耗損出現高溫或是蓄能不佳，而影響鄰近電源模組輸出表現。
BMS可以一PCB整合多組電源監控管理IC，而這些監控功能IC數量，需視實時監控的電源模組數量，基本上區塊電源模組切割的能量輸出單位越小，也表示BMS能掌握的電池健康與蓄能狀態更為精確，雖理論如此，但實際上若偵測的單位電力模組過多，也會增加BMS系統的複雜度、甚至影響此功能模板的製作成本與維護成本。
簡化與模組化BMS設計 可讓電力節能車設計更趨實用
為了簡化BMS設計，同時提供更迅捷的電力單元監控能力，BMS系統模板也會利用特定的ASIC來建構實時監控設計需求，因為ASIC可簡化BMS電路板設計，也能建構高速、穩定的監控功能，提供電動車最完整的電池蓄能狀態監控、分析與區塊保護功能應用的進階電池管理功能。
目前在BMS應用方面，由於各車廠均有自己的電能節能方案設計，現仍未有主流解決方案，加上電力輔助或是全電力車型所使用的電力蓄能與產品設計不同，如輕量都市巡航應用的小型EV全電力車，或是針對都會通勤設計的短距離混合動力車型，對於電力模組的需求，就不會比強調性能的高效能型電能輔助車種來得大，在BMS的設計負荷就會相對小許多，也可朝成本較低的方案進行模組設計與功能整合。
BMS也不光只是用於監控電力蓄能單元的健康狀況，多數的設計還必須確保各電源模組的電力輸出平衡，透過分配不同模組的輸出狀態，同時在各模組間雙向傳送、分配電力輸出，平均使用每個電力模組的蓄能，避免過度使用區塊電源而造成整個電力模組的壽命受到單位蓄能模組的影響，儘可能達到最理想的平衡輸出效果，也能讓電力蓄能系統達到最佳化系統設計效果。
此外，BMS也不宜採單板設計，較好的方式是將整組BMS再切割數個部分，採模組化的設計方案。因為BMS系統需在大電力下運行，元件的耗損狀況會較多，若採行單板設計，容易造成電力系統一旦出現故障問題、為了排除故障必須單板置換更新，造成模組成本偏高。因此較佳的方式是切割成數塊模板進行維修替換，也可便於管理高壓電力模組。
電力模組設計方案，一般的作法為預設模組電壓不高於系統的額定電壓，可以用堆疊來增加輸出能量，雖然堆疊設計無數量上的限制，但基本的系統絕緣條件與相關額定最高限制，仍須在設計上小心面對，避免讓電力系統出現難以掌控的安全問題。
BMS除了在車輛的電力系統啟動時，預先進行系統的整體電力系統檢視、分析，像是電池管理系統的分析、診斷與故障偵測回饋外，另必須針對電池模組可能的過壓、欠壓、感測迴路偵測、過熱、故障狀態初步診斷、模組通訊現況偵測，以達到系統隨時檢測電池狀態、避開故障模組影響之設計目的。而每一個BMS模板，同時必須配備Multi-drop CAN介面，再透過連接與主控制器，以高速連結進行通訊。
BMS電路板，也可利用CAN匯流排進行電動車的電力系統整體診斷，同時利用CAN來設定輸出狀態、電力配置等，同時精確地透過CAN匯流排來統計目前電池蓄能殘量，利用行車電腦準確算出巡航範圍與可用里程，也可避免油電、全電力車用車駕駛對於電力車殘餘蓄能可行駛多少距離的焦慮感，讓駕駛更安心使用節能車輛。
