运用BMS系统积极改善电池阵列效能与寿命问题

大型电池阵列为由大量化学电池单元组成，设备安全性成为隐患，必须透过进阶BMS系统精密监控运作状况，改善电池系统效能与寿命表现。Beckett

随着环保话题增温，电动车、电动摩托车、混和能源车等移动载具，为提升续航力也纷纷采用电池阵列系统，作为储存、连续供应电力的能源储存方案，但组成能源阵列的电池模块，必须搭配电池管理系统才能发挥最大能源效益…

电池阵列使用越来越多元，尤其在纯电动车、混和动力车等运输载具导入应用后，电池阵列的相关技术已成为左右电力驱动载具运作效能的最大关键，从电池最初充电蓄能的充电管理，到行驶作用中的放电驱动车辆，与各种如电池穿刺、运作状态监控、电池健康状态检查与分析，电池管理系统BMS(battery management system)均为电池动力系统的设计重点项目。

化学电池能源系统  成为新一代环保载具重点能源选项

使用蓄电池作为系统备用能源、或是做为整个动力系统的主要驱动能源，其实并不是新颖的设计方案，目前已经有很多以电池为能源来源的应用设计，不管是电池提供主要能源应用、还是做为备用能源应用，从数百瓦的PC工作站UPS不断电系统电力备援方案，到车、船、混合动力运具采行的数千瓦的电力系统，还有针对IDC机房、数据中心规划动辄数百kW的电力备载系统，蓄电池建构的电力供应规划使用已相当普遍，其中电池系统能够耐久且高效能运作的关键就在于电池管理系统(BMS)。

以化学电池为基础的电力供应系统，视驱动规模不同从数kW瓦至数百kW不等，驱动装置或大型船、车载具已不是问题，化学电池在能量储存部分并没有太多技术门槛，反而是怎麽有效率、更可靠地使用电池能源，才是电池动力应用的重点。电池能源应用在小系统的开发案中，技术挑战问题并不多，但随着趋动的负载、电力输出变大、电池系统大幅扩展后，高额电力输出凸显出电池动力系统的安全问题，这时电力系统就需要加入更新颖、更繁复的设计策略，维持系统最佳化应用状态。

化学电池特性差异  影响大型电池阵列安全设计

大量化学电池所组合的电池模块，是设计电池阵列电力供应系统最大的挑战，由于每个化学电池的制造批号、日期与材料来源差异，也会导致单位电池的性能参数出现部分差异，这些组构电力的电池单元，本身是需要经过模块化、同时搭配精密量测才能配置于电池阵列中，再搭配电池管理系统才能依照不同使用情境进行系统输出配置，同时，电池阵列也需要考量后续扩充或是电池模块交换使用需求，提供更完善整体的电池管理与维护应用。

充/放电效能是化学电池受欢迎的材料亮点，但随着化学电池组构的电池阵列越来越庞大，BMS的工作精准要求也就越来越严苛，因为在电池阵列使用环境中，较多是极为严苛的运作条件下进行设备驱动，例如，全电动车或是混合动力的油电汽车，电池阵列可能设置于汽车底盘或是后车厢位置，化学电池与相关电路处于高度震动、温差高(高温/低温)环境，BMS除必须精准实时对电池单位模块状态与系统温度进行精密量测与数据汇总，透过BMS系统进行实时分析与系统运行判断与预警，自系统温度到单位电力模块状态分析，对于电池阵列充电、输出驱动设备都是相当重要的参考数据。

经由BMS精密追踪、分析  提升电池阵列运作可靠度

BMS本身除了须要求极高的系统状态与可靠性水准，也必须确保电池健康状态的分析精准度与持续不断的历史数据累积，透过这些电池的基本健康数据才能让电池系统准确判断基于安全优先的最佳化驱动组态，而BMS系统运行环境处于高电压、高电流、大功率条件下，BMS本身也需经过车用电子高要求标准，以更严苛的测试条件进行设备验证。

虽然电池阵列搭配驱动设备，可以简化至电池、负载与简单电力线连接就能建构电力驱动系统，而监测设备可以设置于电池侧进行运行状态测试，虽然结构看似简单，但实际使用的BMS却更为复杂。为了提高电池阵列的强固特性，BMS必须针对每个单位电池组进行实时分析监测，所撷取的电池数据必须达到毫安培(mA)、毫伏特(mV)水准的数据精度，测量与数据蒐集处理时间需达到同步才能实时换算电池阵列的输出功率，BMS本身除需要强化各个电池单元的监测效率、准确性，同时在汇集整合电池阵列数据方面，也需实时转换，提供警示或是元件状态让使用者知道，电池单元只要一有错误信息，BMS也必须实时分析、针对问题影响程度采取对应保护措施。

分散式模块化BMS设计  监控电池阵列运作状态

先前也提过，化学电池充/放电效率高，为仰赖电池内的化学物质活性作用而来，化学电池本身即为稳定性不高的状态，而电池单元使用特殊材料、封装技术把高活性的化学材料包装，提供应有的元件强度，与达到应有的使用安全标准。BMS系统则在现有的电池元件安全上再以数码实时监控、分析与故障判断处理，提供电池阵列更高安全性、提升整体使用效能的数码管理系统，为了提升BMS内部传输的数据完整性，大功率或超大功率的电池阵列，也会使用分散式模块化的BMS架构搭配，使用较先进的数据编码方式、传输数据错误检查机制，避免因为数据传输干扰导致数据出错。

以电动车、油电混合动力载具设计，电池阵列与BMS多设置于载具底盘或是后车厢，设置环境可能出现高温、高度震动等恶劣运行条件，也必须搭配抑制车辆环境电器杂讯影响、提高电力驱动系统安全性的相关设计。BMS一般可以区分为三大子系统，如电池的连接界面、电源界面、电池控制模块等，透过分层架构设计，可针对不同电力驱动负载需求，选择搭配或扩展BMS应用系统，而模块化设计的优点，则是生产商可以专心致力优化单位BMS的控制模块，而针对不同大小的驱动负载，仅需使用单位BMS模块进行扩展与整合，减少备料同时也能弹性配置针对不同负载所需的电池模块方案。

BMS分层架构隔离电池输出  电池阵列安全性升级

基本上电池阵列设计，多数的载具或是应用设计，会以电池数量越多越好思考，因为单位电池数量多，代表着储蓄电力更丰沛、驱动能力与续航力更大，电池数量增加也代表着电池组电压也会相对提升。当所有的电池界面再经由整合、组合成更大输出功率的电池阵列，电池管理在安全性的要求就更加吃重，透过电源界面，除可以将各电池模块的高电压、大电流输出隔离，电源界面本身亦可供应BMS运行电力，降低电池阵列电源整合复杂度。

透过模块化的BMS与架构分层形式，电池模块可以弹性组合至所需输出电压、电流，搭配以电源界面整合的多电池组容量并联堆叠，除可免除需要大量高电压/电流功率元件导致的电源控制模块设计与料件成本，还可透过单元BMS进阶动态管理、或将整个电池阵列当作一个电力单元进行设备管理，具便利性与系统稳固性多重优点。

电池阵列系统最大的技术挑战在于如何维持电池容量平衡，因为大型电池阵列一定是由多组电池单元或电池模块搭配组成，单位电池容量平衡若出现问题，就会产生能源损耗，不仅浪费蓄存能源、徒增电池模块运作温度，平衡问题较大时甚至会造成单位电池加速老化、损坏。前面也提及，电池单元多使用化学电池，对于环境温度若有出现差异，同一个模块即便单位电池为同一生产批量制造，但也会因为温度差异导致电池蓄电能力差距变大，甚至导致单位电池提早老化，透过BMS系统的实时分析、追踪与记录，可以提早发现单位电池的健康状态，透过控制系统平衡负载改善电力取用，优化整体电池阵列的使用效能与寿命表现。