電動車的三大技術關卡，是電動馬達、動力控制單元、以及相當重要的電池。其中最重要的動力電池技術，牽涉到安全性、環保、循環使用壽命、性能極限、環境溫度、能量提供能力、充電時間等重大議題。而主要監控及管理整車電池模組、並且提供預警保護功能、進而延長電池使用壽命的電池管理系統（BMS），更是攸關整體電動車動力的最核心關鍵。

電池特性主宰電動車動力核心

在種類眾多的電動車動力電池類型當中，可藉由充電程式回復蓄電量、可多次循環使用的二次電池，目前是大部分整車車廠開發電動車款最常用的電池類型。其中又以鋰電池材料、包括鋰鈷、鋰錳、磷酸鋰鐵以及日本常用的鋰鈷錳三元相電池為主。綜觀工作電壓、能量體積密度、重量體積密度、功率和安全性等特性表現，磷酸鋰鐵和鎳氫電池性能較佳。目前純電動車的電池組，總電壓約在288～360V之間，工作電壓越高的電池，電動車所需的電池數量就越少；功率密度越高，瞬間放電電流越大，超速和爬坡就更有力。

電池材料特性不一 電量檢測花心力

《圖一 CES 2011展會上廠商也展示電動車充電站設備 攝影：柳林緯》

電動車電池的電量檢測法主要包括負載電壓法、內阻量測法、開路電壓法、庫侖計演算法與能量計算法等。電池種類、放電深度、充電狀態、變動負載、環境溫度、電池組匹配與老化、使用次數等因素，都會影響SOC（State of Charge）的量測精準度。磷酸鋰鐵電池的電量檢測非常難以估測的關鍵，就在於放電曲線過於平坦、幾乎沒有斜率的狀態。電壓看起來沒什麼變化，但是剩餘電量可能就會有很大的差別。因此藉由讀取電壓掌握剩餘電量的方式還是不夠精確的。

每種電池芯的放電曲線都不一樣，電量檢測的估算法則也就不盡相同。鋰鈷和鋰猛電池材料的OCV曲線都有一定的斜率，藉由測量電壓變化對應於放電曲線斜率的方式，還可以掌握一定的電池剩餘容量（RM）。因為不同電池材料會釋放出獨特的OCV曲線，因此藉由預先掌握各類電池材料獨特的OCV曲線和方程式，輔以軟體的數學邏輯運算，便能讀取OCV的變化曲線並進行補償，得以進一步精確掌握電動車電池的容量。這可有效取代讀取電池電壓變化模式的侷限。

採用讀取電壓掌握剩餘電量的模式，不僅無法掌握精確電池容量，在電池均衡效應上同樣也會產生難題，特別是磷酸鋰鐵和鋰鐵電池。這也是為什麼，磷酸鋰鐵電池目前還沒辦法有效量產的原因，其一是生產一致性過低，機械化生產設備和量測設備仍顯不足，其二是在BMS晶片設計遇到上述難題所導致。

電動車BMS五大要點「軟硬兼施」！

到電動車整車階段部份，基本上就是以電池組（module）作為電池管理系統的基本單位。電池平衡管理和電池組狀態監控這兩大技術，對於BMS而言，是非常關鍵且必要的底層硬體架構。不過完整的BMS解決方案，除了底層硬體之外，上層的軟體開發要領，還必須涵蓋電池特性研究分析、電池建模與模擬分析、熱管理、電池組老化與故障預警、和電池殘電量估測方法等重要環節的系統整合與應用。

《圖二 車輛中心所推出的第二代智慧純電動車i-EV2》

在針對BMS進行系統開發和程式設計時，有五大要點是絕對必備的。首先是紀錄電池芯和電池組使用狀態和習慣，其次是充放電、老化、內阻、操作變化、自我診斷等電池主要狀態。再者是電池警示，特別是在溫度、電壓、過電流充放電的轉態點等部份。電池組安全保護功能則是針對各種意外狀態，例如壓力變化、衝撞、感測失靈等，或是電池運作超過溫度和電壓範圍、以及電流不足時，設計必須主動介入的機制。最後電池系統應用控制，則是提供開發人員掌握電池組狀態的機制，例如當電動車示範運行時，溫度電壓控制、情境路況、馬達轉速、電池充放電曲線等關鍵數據資料，如何透過CAN車用網路傳送到能量管理系統（EMS）。

要真正搞定電動車電池管理晶片設計，不是只憑藉半導體晶片技術就可達成，更要兼顧電池材料特性，才能精確掌握電動車電池的效能。而BMS要精確掌握電池效能，兼顧電池計量和電池充電的功能，除了MCU如何控制電池外，軟體才是關鍵。沒有整合MCU和軟體的核心，解決方案只能停留在類比前端電路的角色。而軟體要寫得好，就要懂得掌握電池材料的化學特性。

電動車BMS「眉角」要注意

多串數電池管理挑戰高

多串數電池管理系統BMS設計較為複雜，當電池串聯數目增加，電池間差異所造成的影響也就越明顯，電池組的使用效率也會遞減。電動車機電系統的可靠度也會受到影響。電池串數多，就需要以堆疊方式累積，這時晶片就需要因應堆疊式電池的充電設計。但串數越高，電池電壓也越高，有些晶片廠商就會在晶片和晶片之間設計其他零組件，藉由光耦隔離的方式，降低電池堆疊電壓對於單一晶片所造成的負擔。

《圖三 能量管理系統EMS是提昇電動車效能不可或缺的平台》

正因為各類電池特性不盡相同，使得由多顆單體電芯（cell）所串接而成的高壓電池組，在不同的使用狀態下，會造成電芯不一致性的狀況增加。而每個單電池都需要做適當的監測與平衡，提高單電池性能、安全與壽命。同時，電池組必須具有過充監測、過放監測、過電流監測以及過溫保護等功能。

電池組之間訊息如何傳遞或連結，整車車廠與電池管理晶片大廠的開發要點不盡相同。不過由於多串數電池管理系統會受到變頻馬達很大的干擾源，並且電池組之間會有電位差問題，因此設計上常會用電位隔離膜或是轉換方式來降低干擾狀況。這些隔離技術本身各家大廠擁有自己的專利，也是攸關電池充放電平衡非常重要的技術門檻。

充放電平衡是基本功

電池充放電平衡部份攸關電池組效能甚鉅。基本上電池平衡管理可分為被動充電平衡和主動平衡這兩大類。被動式充電平衡就是以充電方式來達到平衡效果，多半適合應用在油電混合動力車（Hybrid EV；HEV）領域，專利問題較少，沒有高頻切換雜訊的困擾。

被動式充電平衡可分為長時間過充和消耗式這兩種，前者不需加入任何電路，後者架構容易落實且簡單，但是長時間過充會讓電池芯的電壓差太高，造成電量叫高的電池芯過充，而消耗式的電阻會導致消耗多餘的電量。目前被動式充電平衡仍是大多數電池保護板廠商採用的方法。

主動平衡則可分為電容平衡、電感平衡和模組化平衡這三大類，多半適合應用在純電動車領域。主動平衡能按照電池剩餘電量來決定各個電池充電的比例，藉由儲電元件來達到電量轉移的目的，充電效率高，可縮短充電時間。不過因為電路主要由電容、電感和開關達到能轉換的目的，因此成本較高、體積較大，且會有開關切換的雜訊問題，因此控制設計上較為複雜。

目前電動車電池常見的充電方法，包括定電壓充電曲線（CV）、定電流充電曲線（CC）、定電流/定電壓充電曲線（CC-CV）和脈衝充電法。CV充電法的電流會隨著電池內阻降低，因此電池溫度不會劇烈上升，高充電狀態也不會有高電壓現象，不過充電初期電流大，會較容易發燙，且充電時間較無法估計。CC充電法在充電初期電流不會過大，時間容易估計，不過高充電狀態時容易有高電壓現象，電池溫度會急遽上升。CC-CV充電法則兼顧CC快速充電和CV可自我調節電流的功能。

至於脈衝充電法多應用在鉛酸電池，是使用週期性的脈衝電流對電池充電，可以在充電過程中提供電池休息時間來緩和化學反應，並可調節脈衝電流大小，達到快速充電的目的。

晶片大廠迎接挑戰「沒在怕」

電池組的保護功能，晶片大廠的解決方案就非常關鍵。例如電池滿電仍繼續充電時，保護電路板上的保護晶片就會切斷充電；電壓過低時，保護晶片就會切斷放電迴路；偵測到有短路現象時，可立即切斷與電池的迴路；保護晶片也需進行電池溫度監測，並將訊息回傳到系統運作過溫保護控制。目前包括凌力爾特（Linear）、德州儀器（TI）、Infineon、Freescale、Microchip、RoHM等晶片大廠都已具備電池組保護晶片相關管理技術。

而投入多串數電動車電池管理晶片的大廠，則包括TI、O2Micro、Linear、愛特梅爾（Atmel）和亞德諾（ADI），可量測的電池芯數目在4～13顆之間，可堆疊數以16、32和50等為主，加乘下來BMS可管理的電池總數，大約在96～300顆之間。德州儀器和愛特梅爾有推出主動平衡電池充放電技術的晶片方案，其他大廠則以被動式消耗為主。

《圖四 電動車能量狀態可以透過簡易的圖形化介面讓駕駛人清楚瞭解》

在針對不同電池材料的高電壓充放電晶片設計上，目前為止還沒有一家電源晶片廠商能提供固定的解決方案，實際上也不會有。不同的電池材料所產生的化學特性，都會產生獨特的OCV曲線，且不同的溫度和電池老化程度，其所產生的OCV曲線也不盡相同。這也是為什麼，當各個車廠採用各自化學配方和材料屬性的電動車電池時，對於晶片廠商來說，計量電動車電池會是這麼具有挑戰性的原因。電源晶片廠商必須針對不同屬性的電池，搭配自己專屬的充放電設計，規劃出符合各類電動車電池材料屬性的晶片解決方案。

BMS＋EMS效果更佳！

電動車要跑得快，光靠電池管理系統（BMS）還不夠，透過BMS將電池資訊傳送至能量管理系統（EMS），藉此，整車車廠更需要取得關鍵的數據資料以便進一步分析，這也是為什麼現在全球大部分整車車廠，在正式推出電動車產品之前，會特別重視示範運行過程的原因。

藉由示範運行，車廠才能掌握電動車運行時、電池管理系統與其他零部件之間聯動的重要關鍵數據。這些關鍵數據，都是屬於非常機密的內容，內行人如果掌握到這些數據，基本上就可以瞭解這家車廠電動車性能的核心與要點。

各類電池的規格與特性，必須輸入管理系統當中，使系統模板參數達到最佳化的調整，以符合各類電池電動電力的特性。長時期累積的各項參數資料，可作為建模與模擬分析的依據，配合實際路測後所鍵入的資訊數據，車廠才會知道欲參數修正的關鍵點與幅度應該為何，這也是為什麼，BMS所蒐集到的數據資料會這麼重要的原因。