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电动车市场对于BMS技术与电池安全的关注度不断提升，BMS晶片厂商持续强化BMS监测电池资讯的精准度与相关安全设置，期望强化电动车能源的安全性与使用效益。
随著各国订定禁售燃油车以及达成淨零碳排的时间点，电动车市场的成长速度飞快，而在电动车成本结构中举足轻的电池便成为车用厂商的兵家必争领域。不论是车厂、电池芯及电池模组厂商、电池管理系统(BMS)晶片供应商，都在兼顾安全性的前提下，朝向同时提高能量密度、降低成本、缩小尺寸及减轻重量的目标发展。
其中，BMS负责监测电池状态，同时避免快充导致过电压、过电流等危险情境发生。BMS透过温度网路监测电池是否异常，确保电动车电池能在最适温度下，维持安全、稳定并达到最佳能源效益。现阶段BMS设计朝向无线化与智慧化发展，期望在提升电动车的设计弹性之外，结合驾驶行为以提供精准的电量预测，尽可能降低电动车车主的里程焦虑。
电动车带动BMS解决方案需求
根据国际能源署(IEA)统计，2010~2021年的十年间，电动车销量呈现倍数成长(图1)。其中，2019年电动车销量约220万辆，仅占全球汽车销量的2.5%，2020年汽车销量低迷，但是电动车销量逆势成长，共售出约300万辆，占全球汽车销售的4.1%。2021年电动车市场售出660万辆，占整体汽车销量的9%，开始带动全球汽车的销售成长。IEA在2022年1月预估，全球已经有1600万辆电动车上路。
图1 2010~2021年全球电动车销量与各国市场占比
电动车普及化的进程中，电池与BMS扮演重要的角色，因为能源系统攸关电动车的续航力。现阶段电动车电池面对安全、成本与能量密度三者平衡的难题，使用活性较高的材料或配方可以提升能量密度，但是高活性材料的稳定度较低，难以达到安全标准。除了电池材料相关技术，BMS晶片的研发也为整体电动车系统带来助力，期望透过监测、控制与记录数据，确保电池的能源使用效益与安全性，并在电池回收的应用中，提供完整的数据记录。
电动车电池为了找寻能量密度、成本与安全三者平衡的最佳解，BMS IC厂商从强化BMS功能切入，期望透过系统管理提升能源使用效益、监测电池健康状态。针对BMS的发展挑战，ADI业务总监汪扬(图2)认为，电池系统技术日新月异，在增加容量、延长使用寿命方面承受著很大的压力。业界著眼于打造能够持续使用10年的电池的同时，也希望从电池组中获取更多电能、增加电动车的续航里程、支援更快的充电，并开发集中式和模组化的设计。因此BMS IC厂商持续推出可增加电池充电续航里程、减少总重量并降低电池系统总成本的解决方案。
图2 ADI业务总监汪扬
BMS确保电池正常
英飞凌汽车电子事业部高级市场经理张昌明(图3)指出，BMS的主要功能分为监测与控制以及解决问题两大类。监控方面，BMS主要监测环境温度的参数和电压、电流，包含确保气温、电芯的温度在电池适合工作的范围内，同时确保汽车内部的气压正常。气压变化与电池是否可能爆炸高度相关，因为电池在高温的环境下会喷发气体，当气体累积到一定程度，将触发气压的变化，因此电池出现热爆之前，可以透过异常气压预先发现电池异常。其他的监测项目包括绝缘、异常气体，如硫化物的监测。
图3 英飞凌汽车电子事业部高级市场经理张昌明
其中，温度网路是监测电池异常与否的关键，张昌明说明，电池内有多个电芯，但是通常为了避免增加耗能与电路设计的複杂度，只会在两个电芯之间装置一个温度感测器，再透过温度网路相关的演算法，模拟整个电池内的温度状态，迅速检查单一电芯的温度是否异常。BMS的温度网路在快充的情境下，可以即时反映电芯的温度状态。此机制除了确保整体的充电电压在适合的范围内，还要管理每个电芯实际承载的充电电压。假设电动车电池的总电压为400V，电池内有100个电芯，每个电芯应该分配到4V，如果电压分配不平均，有的电芯电压高达8V，有些则只有3V，电压太高的电芯会被电压击穿，影响安全性。
BMS解决安全问题的功能则分成几大类，电池的安全、效能、寿命、一致性， 都能透过BMS执行状态预估，例如电荷管理(SOC)、健康状态(SOH)与电力状态(SOP)管理。另外，BMS管理讯息储存、异常记录，还有环境状况的记录、内部讯息交换，例如BMS能将系统监测到的电池资讯显示在仪表板上，提醒车主电池使用状况。
BMS功能走向无线/智慧化
面对现阶段电动车电池的安全疑虑与车主的里程焦虑，BMS需要在平衡电池体积与成本的前提下，提升量测与管理能源的精准度。因此ADI为了增加电动车设计的弹性与BMS监测的精准度，开发无线BMS(wBMS)技术，无需使用电池线束， 节省90%的线束和15%的电池组体积，协助OEM将电动汽车平台扩展至多种车型，实现弹性、可重複使用、节省成本的优势。透过提高车辆使用週期电能管理的精准度，无线BMS系统可最大化单一电芯的能量利用率，优化车辆续航里程的管理功能，并支援无钴电池化学材料，如磷酸铁锂(LFP)电池的技术。
张昌明认为，BMS未来不只需要管理电荷及电池健康度，还必须具备优化电池组能量输出的智慧化功能。由于电动车与燃油车不同，燃油车可以精准换算每公升汽油的行驶距离，且当仪表板显示油量过低的时候，车主通常知道还能行驶的距离。但是电池虽然理论上充入多少电量，就应该输出同等的能量，但是如果驾驶出现意料之外的行为，例如爬坡可能造成某些电芯的电压急遽下降，因此触发欠压管理的机制，该电芯便无法提供电能，甚至电量下降，造成车辆整体的电量输出下降。在这种情况下，需要透过BMS，适时的将电芯的放电电压根据电池的运作状况调节，并採用智慧化的能量管理结合驾驶行为预估车辆剩于电量可行驶的距离，都有助于解决电动车造成的驾驶里程焦虑问题。
精准数据不可少
BMS负责电动车系统整体的能源管理，透过监测与安全装置，确保电池的工作环境、温度、健康度，以及车内气压、气体等方面正常。同时，BMS透过安全装置设计，避免充电过程中出现过电流、过电压的状况，并且确保电池内的电芯电量维持一致。功能方面，BMS确保电池正常运作，而其技术进展的方向，则朝向提升监测的精准度与协助驾驶解决里程焦虑，同时尽可能降低成本。因此业界厂商发展出wBMS技术，期望藉此助力电动车朝向轻量化发展，并提升电动车的设计弹性。未来BMS相关的智慧化功能，也有助于结合驾驶习惯，协助电动车车主估算剩馀电量可行驶的距离，降低里程焦虑。
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