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電池管理系統(BMS)常被稱為電池保母或電池管家,主要負責每顆電池(電芯)的智慧管理與維護,防止電池過充、過放與過流,延長電池使用壽命,並監控電池狀態(電壓、電流、溫度等)。其功能包括熱管理、平衡控制、故障診斷、充電管理、參與能量回收等。基本上是透過電子參數來辨識物理與化學反應的變化。因此,為電池組配置 BMS 保護系統非常重要。
BMS 的架構
BMS 的設計在很大程度上對應電池本身的設計,由電池監控積體電路(BMIC)、電芯管理控制器(CMC)與電池管理控制器(BMC)組成。
BMIC 監控個別電池芯,並且必須能在微秒等級的時間內迅速將狀況通知 CMC,讓 CMC 或 BMC 得以反應,必要時修正不利的狀況。為防止溫度失控,BMIC 必須立即察覺過熱的電池芯,並儘快將這項資訊往上傳遞。BMC 則須判斷情況的嚴重程度、後續如何處理,必要時關閉過熱的電芯。而這一切都必須在一瞬間完成。
量測的準確度以及對不利狀況的反應能力,主要取決於 BMIC 與 CMC、BMC 之間的通訊頻率;通訊越頻繁,成功化解潛在風險狀況的機會就越大。然而由於電氣雜訊的緣故,要在電動車上設計出有效的通訊網路並不容易。
當然,在修正之前,BMS 會設法預防任何不利狀況,因此除了 BMIC、CMC 與 BMC 模組之外,它還包含平衡各電芯能量負載的電路,讓所有電芯的工作狀態大致一致,不易衍生問題。
依電動車的複雜程度,可能會加入多個智慧微控制器來監控與控制各項特定任務。每套 BMS 不僅要能監控電池,也必須能監控自身,並判斷警報或提示是真實的還是誤報。
BMS 的基本功能
放電與充電控制、判定目前的充電狀態(State of Charge)、判定健康狀態(State of Health)、充電平衡、記錄與通訊
BMS 的開發
為使每套 BMS 系統都能正確發揮功能,開發過程中有幾道難題必須克服。第一是電池狀態估測(Battery State Estimation),這個數值對駕駛人以及系統本身的妥善管理都很重要。
第二是電池芯充電平衡(Battery Cell Charge Balancing)。方法分為被動式與主動式,另有多種主動平衡拓撲,都必須妥善設計才能最佳化 BMS 的特性。
電池狀態估測
電池的充電狀態對駕駛人而言是絕對必要的資訊。此外,若能取得精確的數值,電池的使用壽命還可望延長。
電池芯充電平衡
電池芯之間可能在內阻、劣化程度、容量、環境溫度等許多方面存在差異。這些不可避免的差異會造成諸多問題,整體容量也可能大幅下降。這種不平衡會導致個別電芯過放或過充,對整組電池而言相當危險;因此,各電芯之間的充電平衡對維持性能與延長電池壽命至關重要。

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