亨利福特于1903年創(chuàng)建福特汽車公司，在當(dāng)時(shí)很少有人買得起汽車。它們制造成本高昂，維修費(fèi)用昂貴且運(yùn)行復(fù)雜。在當(dāng)時(shí)，汽車仍然是少數(shù)特權(quán)階層的奢侈品。直到，福特巧妙地使用內(nèi)燃機(jī)，新的制造技術(shù)和廉價(jià)的維修設(shè)計(jì)，才能將奢侈品推向主流，永遠(yuǎn)改變了一般人的交通方式。

在時(shí)間經(jīng)過了116年后，今天的人們又面臨了相同的問題。隨著油價(jià)飆升，資源萎縮和環(huán)境壓力的不斷增加，世界各地的政府和民眾正在尋求更好、更清潔、更有效的汽油替代品，這一點(diǎn)不足為奇。目前許多歐洲國家都已經(jīng)開始推動(dòng)甚至已經(jīng)立法禁止銷售新的非電動(dòng)汽車。這使電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)成為今日最令人興奮的領(lǐng)域之一。

2019年電動(dòng)車市場(chǎng)發(fā)展

但就像回到一個(gè)多世紀(jì)以前的那些早期汽車一樣，為大眾市場(chǎng)生產(chǎn)電動(dòng)汽車帶來了一大堆挑戰(zhàn)。推出內(nèi)燃機(jī)（ICE）的可行替代品并不容易。技術(shù)的突破不斷開啟了新的可能性。但是，將這些突破轉(zhuǎn)化為電機(jī)、控制技術(shù)和電池，改進(jìn)和完善的模型，以及鼓勵(lì)消費(fèi)者廣泛采用，將需要更多的時(shí)間。

我們可以先來觀察2019年的電動(dòng)車市場(chǎng)會(huì)有什么變化。在今年，預(yù)期電動(dòng)汽車的電池尺寸將越來越小。雖然具有更大電池和更長行駛距離的電動(dòng)汽車帶來更大的行動(dòng)便利性，但針對(duì)城市駕駛的小型電池電動(dòng)汽車市場(chǎng)卻也正在增加當(dāng)中。在未來，隨著充電點(diǎn)數(shù)量的增加，行駛距離更短的城市EV將更為普遍。

此外，政府也一直在補(bǔ)貼電動(dòng)汽車銷售價(jià)格以刺激市場(chǎng)。而消費(fèi)者也期待加油站成為電力供應(yīng)站，例如在汽油加油機(jī)附近安裝快速充電樁。這也意味著他們必須為駕駛員在充電期間提供一些娛樂，無論是喝咖啡、看電視還是購物等。

而在2019年，還將對(duì)電動(dòng)車充電器進(jìn)行更嚴(yán)格的管理，并讓充電器提供更高質(zhì)量的電力和更安全的功能標(biāo)準(zhǔn)。最終將要求充電器允許負(fù)載控制，確保電網(wǎng)能夠滿足充電的高需求。而隨著電池價(jià)格的下降，更高的產(chǎn)量和更高的能量密度，也提供了更安全與更長久的駕馭距離。

為什么需要電池管理系統(tǒng)（BMS）？

鋰離子電池因其高電荷密度和較低的重量，而被證明是電動(dòng)汽車制造商感興趣的電池。鋰離子電池的特性是尺寸很大，而性質(zhì)上也較為不穩(wěn)定。非常重要的是，在任何需要監(jiān)控其電壓和電流的情況下，這些電池不應(yīng)發(fā)生過充電或放電不足的狀況。只是這個(gè)過程最困難的地方在于，透過很多電池組合在一起形成的EV電池組，每個(gè)電池都必須單獨(dú)監(jiān)控其安全性并確保其高效運(yùn)行，這就需要一個(gè)特殊的專用系統(tǒng)，稱為電池管理系統(tǒng)（BMS）。

同樣的，為了從電池組獲得最大電源效率，我們應(yīng)該在相同的電壓下，同時(shí)對(duì)所有電池完全充電和放電，而這就再次需要透過BMS。此外，BMS還將肩負(fù)起許多其他的功能。

BMS設(shè)計(jì)考慮因素

在設(shè)計(jì)BMS時(shí)需要考慮很多因素。完整的考慮因素取決于使用BMS時(shí)，確切的最終應(yīng)用。除了EV的BMS之外，還可以應(yīng)用在任何采用鋰電池組的地方，例如太陽能電池板陣列、風(fēng)車、電力墻等。無論應(yīng)用為何，BMS設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮一些重要因素。

放電控制

BMS的主要功能是將鋰電池維持在安全工作電壓內(nèi)。例如，典型的18650鋰電池的欠壓額定值約為3V。BMS有責(zé)任確保電池組中的所有電池都不會(huì)在3V以下放電。

充電控制

除了放電，充電過程也應(yīng)由BMS監(jiān)控。大多數(shù)電池在充電不當(dāng)時(shí)，往往會(huì)受到損壞或壽命縮短。對(duì)于鋰電池充電器所使用的充電器來說分為兩級(jí)，第一級(jí)被稱為恒流（CC） ，在此期間充電器輸出恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池接近滿時(shí)，第二級(jí)稱為恒壓（CV）階段，在該階段期間以非常低的電流向電池提供恒定電壓。BMS應(yīng)確保充電期間的電壓和電流不超過可滲透限制，以免電池過充或快速充電。一般來說，最大允許充電電壓和充電電流，都可在電池的數(shù)據(jù)表中找到。

充電狀態(tài)

這是EV的燃料指標(biāo)，它實(shí)際上告訴我們電池組的電池容量百分比。就像我們手機(jī)里的一樣。但它并不像聽起來那么容易。系統(tǒng)需隨時(shí)監(jiān)控電池組的電壓和充放電電流，以預(yù)測(cè)電池的容量。一旦測(cè)量到電壓和電流，就會(huì)有很多算法可用于計(jì)算電池組的容量。最常用的方法如庫侖計(jì)數(shù)法。

健康狀況

電池健康狀態(tài)通常需要知道兩點(diǎn)，一是電池充電狀況（SOC），這表示目前電池的充電比率，完全充飽的電池的充電狀況為100%。在電池使用后或是長時(shí)間放置后都會(huì)造成電池的開路電壓下降，因此充電狀況的百分比數(shù)值也會(huì)跟著下降。此外，電池健康狀況（SOH）則是衡量電池的起使電流輸出能力的指標(biāo)，全新的電池可以達(dá)到100%的SOH電池健康狀況。

電池的容量不僅取決于其電壓和電流曲線，還取決于其年齡和工作溫度。SOH測(cè)量根據(jù)其使用歷史，可告訴我們電池的使用年限和預(yù)期壽命周期。通過這種方式，我們可以知道EV的里程數(shù)（完全充電后覆蓋的距離）會(huì)隨著電池老化而減少多少，并且我們也可以知道何時(shí)應(yīng)該更換電池組。

電池平衡

BMS的另一個(gè)重要功能是維持電池間的平衡。例如，在一組串聯(lián)連接的4個(gè)電池中，所有四個(gè)電池的電壓應(yīng)始終相等。如果一個(gè)電池比另一個(gè)電池的電壓低或高，它將影響整個(gè)電池組，例如一個(gè)電池處于3.5V而另外三個(gè)電池處于4V。在充電期間，這三個(gè)電池將達(dá)到4.2V而另一個(gè)電池剛剛達(dá)到3.7V。相同的，該電池將是第一個(gè)放電至3V的電池。這樣一來，由于該單電池的狀況不同，電池組中的所有其他電池將不能用于其最大電位，進(jìn)而影響效率。

為了解決這個(gè)問題，BMS必須實(shí)現(xiàn)一種稱為單元平衡的方法。有許多類型的電池平衡技術(shù)，但常用的是主動(dòng)與被動(dòng)型的電池平衡。在被動(dòng)平衡中，其想法是具有過電壓的電池將透過類似電阻器的負(fù)載強(qiáng)制放電，以達(dá)到其他電池的電壓值。至于主動(dòng)平衡期間，較強(qiáng)的電池將用于給較弱的電池充電，以使其電位均衡。

熱控制

鋰電池組的壽命和效率有很大程度取決于工作溫度。與正常室溫下相比，電池在炎熱氣候時(shí)放電更快。除此之外，高電流的消耗將進(jìn)一步增加溫度。這需要電池組中的熱系統(tǒng)（主要是油）來加以調(diào)控。這種熱系統(tǒng)主要作用在于降低溫度，但如果需要，也應(yīng)該能夠在寒冷氣候下提高溫度。BMS負(fù)責(zé)測(cè)量每個(gè)電池溫度，并相對(duì)應(yīng)地控制熱系統(tǒng)以維持電池組的整體溫度。

更低的系統(tǒng)功耗

即使汽車正在運(yùn)行中、充電中或處于待機(jī)模式，BMS也應(yīng)處于活動(dòng)狀態(tài)并持續(xù)運(yùn)行。這樣的狀況使得BMS電路必須被連續(xù)供電，因此BMS系統(tǒng)必須消耗非常少的功率，才不會(huì)耗費(fèi)太多電力。當(dāng)EV未充電數(shù)周或數(shù)月時(shí)，BMS和其他電路往往會(huì)自行耗盡電池，最終需要在下次使用前進(jìn)行重新充電。這樣的問題即使在特斯拉這種知名車款上，仍然很常見。

電流隔離

BMS身為電池組和EV的引擎控制器（ECU）之間的橋梁，必須將BMS收集的所有信息發(fā)送到ECU，以顯示在儀表板上或儀表板上。因此，BMS和ECU應(yīng)該透過CAN，或LIN總線等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來持續(xù)進(jìn)行通訊。BMS設(shè)計(jì)也必須能夠在電池組和ECU之間提供電流隔離。

數(shù)據(jù)記錄

由于BMS必須存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，因此擁有更大的記憶庫非常重要。只有在知道電池的充電歷史時(shí)，才能計(jì)算出電池的健康狀態(tài)。因此，BMS必須從安裝之日起，就追蹤電池組的充電周期和充電時(shí)間，這將有助于為工程師提供售后服務(wù)或分析EV的充電問題。

精確度

當(dāng)電池充電或放電時(shí)，電壓會(huì)逐漸增加或減少。不幸的是，鋰電池的放電曲線（電壓對(duì)比時(shí)間）具有平坦區(qū)域，因此電壓的變化非常小，必須準(zhǔn)確測(cè)量此變化。設(shè)計(jì)良好的BMS可以具有達(dá)到±0.2mV的精度，最小精度至少需要1～2mV。而通常在此過程中會(huì)使用16位元ADC。

結(jié)語

值得注意的是，電動(dòng)汽車逐漸朝向簡單化設(shè)計(jì)，其結(jié)果將能驅(qū)動(dòng)各不同面向的成本降低，一個(gè)明顯的例子就是電池本身。較小的電池意味著更輕的汽車重量，這將使得汽車底盤、制動(dòng)器、充電技術(shù)、電機(jī)功率等的額外成本獲得節(jié)省。小容量的電動(dòng)汽車將有助于降低充電技術(shù)的電力耗損，并且更容易平衡充電需求。搭配更有效率的BMS系統(tǒng)，將能讓電動(dòng)車上路行駛更加安全。