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(guò)了116年后,，今天的人們又面臨了相同的問(wèn)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(guó)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(lái)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(lái)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(lái)越小。雖然具有更大電池和更長(zhǎng)行駛距離的電動(dòng)汽車帶來(lái)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(lái)，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(lè),，無(wú)論是喝咖啡,、看電視還是購(gòu)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(zhǎng)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(guò)充電或放電不足的狀況。只是這個(gè)過(guò)程最困難的地方在于,，透過(guò)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(guò)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(yáng)能電池板陣列、風(fēng)車,、電力墻等,。無(wú)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)可滲透限制，以免電池過(guò)充或快速充電,。一般來(lái)說(shuō),，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(lái)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(kù)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(zhǎng)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(guò)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(lái),，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(wèn)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(guò)電壓的電池將透過(guò)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(lái)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(wèn)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(guò)CAN,，或LIN總線等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)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(kù)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(wèn)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(guò)程中會(huì)使用16位元ADC。
結(jié)語(yǔ)
值得注意的是,，電動(dòng)汽車逐漸朝向簡(jiǎn)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,。