电动车的三大技术关卡，是电动马达、动力控制单元、以及相当重要的电池。其中最重要的动力电池技术，牵涉到安全性、环保、循环使用寿命、性能极限、环境温度、能量提供能力、充电时间等重大议题。而主要监控及管理整车电池模块、并且提供预警保护功能、进而延长电池使用寿命的电池管理系统（BMS），更是攸关整体电动车动力的最核心关键。

电池特性主宰电动车动力核心

在种类众多的电动车动力电池类型当中，可藉由充电程序回复蓄电量、可多次循环使用的二次电池，目前是大部分整车车厂开发电动车款最常用的电池类型。其中又以锂电池材料、包括锂钴、锂锰、磷酸锂铁以及日本常用的锂钴锰三元相电池为主。综观工作电压、能量体积密度、重量体积密度、功率和安全性等特性表现，磷酸锂铁和镍氢电池性能较佳。目前纯电动车的电池组，总电压约在288～360V之间，工作电压越高的电池，电动车所需的电池数量就越少；功率密度越高，瞬间放电电流越大，超速和爬坡就更有力。

电池材料特性不一 电量检测花心力

《图一 CES 2011展会上厂商也展示电动车充电站设备 摄影：柳林纬》

电动车电池的电量检测法主要包括负载电压法、内阻量测法、开路电压法、库仑计算法与能量计算法等。电池种类、放电深度、充电状态、变动负载、环境温度、电池组匹配与老化、使用次数等因素，都会影响SOC（State of Charge）的量测精准度。磷酸锂铁电池的电量检测非常难以估测的关键，就在于放电曲线过于平坦、几乎没有斜率的状态。电压看起来没什么变化，但是剩余电量可能就会有很大的差别。因此藉由读取电压掌握剩余电量的方式还是不够精确的。

每种电池芯的放电曲线都不一样，电量检测的估算法则也就不尽相同。锂钴和锂猛电池材料的OCV曲线都有一定的斜率，藉由测量电压变化对应于放电曲线斜率的方式，还可以掌握一定的电池剩余容量（RM）。因为不同电池材料会释放出独特的OCV曲线，因此藉由预先掌握各类电池材料独特的OCV曲线和方程序，辅以软件的数学逻辑运算，便能读取OCV的变化曲线并进行补偿，得以进一步精确掌握电动车电池的容量。这可有效取代读取电池电压变化模式的局限。

采用读取电压掌握剩余电量的模式，不仅无法掌握精确电池容量，在电池均衡效应上同样也会产生难题，特别是磷酸锂铁和锂铁电池。这也是为什么，磷酸锂铁电池目前还没办法有效量产的原因，其一是生产一致性过低，机械化生产设备和量测设备仍显不足，其二是在BMS芯片设计遇到上述难题所导致。

电动车BMS五大要点「软硬兼施」！

到电动车整车阶段部份，基本上就是以电池组（module）作为电池管理系统的基本单位。电池平衡管理和电池组状态监控这两大技术，对于BMS而言，是非常关键且必要的底层硬件架构。不过完整的BMS解决方案，除了底层硬件之外，上层的软件开发要领，还必须涵盖电池特性研究分析、电池建模与仿真分析、热管理、电池组老化与故障预警、和电池残电量估测方法等重要环节的系统整合与应用。

《图二 车辆中心所推出的第二代智能纯电动车i-EV2》

在针对BMS进行系统开发和程序设计时，有五大要点是绝对必备的。首先是纪录电池芯和电池组使用状态和习惯，其次是充放电、老化、内阻、操作变化、自我诊断等电池主要状态。再者是电池警示，特别是在温度、电压、过电流充放电的转态点等部份。电池组安全保护功能则是针对各种意外状态，例如压力变化、冲撞、感测失灵等，或是电池运作超过温度和电压范围、以及电流不足时，设计必须主动介入的机制。最后电池系统应用控制，则是提供开发人员掌握电池组状态的机制，例如当电动车示范运行时，温度电压控制、情境路况、马达转速、电池充放电曲线等关键数据数据，如何透过CAN车用网络传送到能量管理系统（EMS）。

要真正搞定电动车电池管理芯片设计，不是只凭借半导体芯片技术就可达成，更要兼顾电池材料特性，才能精确掌握电动车电池的效能。而BMS要精确掌握电池效能，兼顾电池计量和电池充电的功能，除了MCU如何控制电池外，软件才是关键。没有整合MCU和软件的核心，解决方案只能停留在模拟前端电路的角色。而软件要写得好，就要懂得掌握电池材料的化学特性。

电动车BMS「眉角」要注意

多串数电池管理挑战高

多串数电池管理系统BMS设计较为复杂，当电池串联数目增加，电池间差异所造成的影响也就越明显，电池组的使用效率也会递减。电动车机电系统的可靠度也会受到影响。电池串数多，就需要以堆栈方式累积，这时芯片就需要因应堆栈式电池的充电设计。但串数越高，电池电压也越高，有些芯片厂商就会在芯片和芯片之间设计其他零组件，藉由光耦隔离的方式，降低电池堆栈电压对于单一芯片所造成的负担。

《图三 能量管理系统EMS是提升电动车效能不可或缺的平台》

正因为各类电池特性不尽相同，使得由多颗单体电芯（cell）所串接而成的高压电池组，在不同的使用状态下，会造成电芯不一致性的状况增加。而每个单电池都需要做适当的监测与平衡，提高单电池性能、安全与寿命。同时，电池组必须具有过充监测、过放监测、过电流监测以及过温保护等功能。

电池组之间讯息如何传递或链接，整车车厂与电池管理芯片大厂的开发要点不尽相同。不过由于多串数电池管理系统会受到变频马达很大的干扰源，并且电池组之间会有电位差问题，因此设计上常会用电位隔离膜或是转换方式来降低干扰状况。这些隔离技术本身各家大厂拥有自己的专利，也是攸关电池充放电平衡非常重要的技术门坎。

充放电平衡是基本功

电池充放电平衡部份攸关电池组效能甚巨。基本上电池平衡管理可分为被动充电平衡和主动平衡这两大类。被动式充电平衡就是以充电方式来达到平衡效果，多半适合应用在油电混合动力车（Hybrid EV；HEV）领域，专利问题较少，没有高频切换噪声的困扰。

被动式充电平衡可分为长时间过充和消耗式这两种，前者不需加入任何电路，后者架构容易落实且简单，但是长时间过充会让电池芯的电压差太高，造成电量叫高的电池芯过充，而消耗式的电阻会导致消耗多余的电量。目前被动式充电平衡仍是大多数电池保护板厂商采用的方法。

主动平衡则可分为电容平衡、电感平衡和模块化平衡这三大类，多半适合应用在纯电动车领域。主动平衡能按照电池剩余电量来决定各个电池充电的比例，藉由储电组件来达到电量转移的目的，充电效率高，可缩短充电时间。不过因为电路主要由电容、电感和开关达到能转换的目的，因此成本较高、体积较大，且会有开关切换的噪声问题，因此控制设计上较为复杂。

目前电动车电池常见的充电方法，包括定电压充电曲线（CV）、定电流充电曲线（CC）、定电流/定电压充电曲线（CC-CV）和脉冲充电法。CV充电法的电流会随着电池内阻降低，因此电池温度不会剧烈上升，高充电状态也不会有高电压现象，不过充电初期电流大，会较容易发烫，且充电时间较无法估计。CC充电法在充电初期电流不会过大，时间容易估计，不过高充电状态时容易有高电压现象，电池温度会急遽上升。CC-CV充电法则兼顾CC快速充电和CV可自我调节电流的功能。

至于脉冲充电法多应用在铅酸电池，是使用周期性的脉冲电流对电池充电，可以在充电过程中提供电池休息时间来缓和化学反应，并可调节脉冲电流大小，达到快速充电的目的。

芯片大厂迎接挑战「没在怕」

电池组的保护功能，芯片大厂的解决方案就非常关键。例如电池满电仍继续充电时，保护电路板上的保护芯片就会切断充电；电压过低时，保护芯片就会切断放电回路；侦测到有短路现象时，可立即切断与电池的回路；保护芯片也需进行电池温度监测，并将讯息回传到系统运作过温保护控制。目前包括凌力尔特（Linear）、德州仪器（TI）、Infineon、Freescale、Microchip、RoHM等芯片大厂都已具备电池组保护芯片相关管理技术。

而投入多串数电动车电池管理芯片的大厂，则包括TI、O2Micro、Linear、爱特梅尔（Atmel）和亚德诺（ADI），可量测的电池芯数目在4～13颗之间，可堆栈数以16、32和50等为主，加乘下来BMS可管理的电池总数，大约在96～300颗之间。德州仪器和爱特梅尔有推出主动平衡电池充放电技术的芯片方案，其他大厂则以被动式消耗为主。

《图四 电动车能量状态可以透过简易的图形化接口让驾驶人清楚了解》

在针对不同电池材料的高电压充放电芯片设计上，目前为止还没有一家电源芯片厂商能提供固定的解决方案，实际上也不会有。不同的电池材料所产生的化学特性，都会产生独特的OCV曲线，且不同的温度和电池老化程度，其所产生的OCV曲线也不尽相同。这也是为什么，当各个车厂采用各自化学配方和材料属性的电动车电池时，对于芯片厂商来说，计量电动车电池会是这么具有挑战性的原因。电源芯片厂商必须针对不同属性的电池，搭配自己专属的充放电设计，规划出符合各类电动车电池材料属性的芯片解决方案。

BMS＋EMS效果更佳！

电动车要跑得快，光靠电池管理系统（BMS）还不够，透过BMS将电池信息传送至能量管理系统（EMS），藉此，整车车厂更需要取得关键的数据数据以便进一步分析，这也是为什么现在全球大部分整车车厂，在正式推出电动车产品之前，会特别重视示范运行过程的原因。

藉由示范运行，车厂才能掌握电动车运行时、电池管理系统与其他零部件之间联动的重要关键数据。这些关键数据，都是属于非常机密的内容，内行人如果掌握到这些数据，基本上就可以了解这家车厂电动车性能的核心与要点。

各类电池的规格与特性，必须输入管理系统当中，使系统模板参数达到优化的调整，以符合各类电池电动电力的特性。长时期累积的各项参数数据，可作为建模与仿真分析的依据，配合实际路测后所键入的信息数据，车厂才会知道欲参数修正的关键点与幅度应该为何，这也是为什么，BMS所搜集到的数据数据会这么重要的原因。