運用BMS系統積極改善電池陣列效能與壽命問題

大型電池陣列為由大量化學電池單元組成，設備安全性成為隱患，必須透過進階BMS系統精密監控運作狀況，改善電池系統效能與壽命表現。Beckett

隨著環保話題增溫，電動車、電動機車、混和能源車等行動載具，為提升續航力也紛紛採用電池陣列系統，作為儲存、連續供應電力的能源儲存方案，但組成能源陣列的電池模組，必須搭配電池管理系統才能發揮最大能源效益…

電池陣列使用越來越多元，尤其在純電動車、混和動力車等運輸載具導入應用後，電池陣列的相關技術已成為左右電力驅動載具運作效能的最大關鍵，從電池最初充電蓄能的充電管理，到行駛作用中的放電驅動車輛，與各種如電池穿刺、運作狀態監控、電池健康狀態檢查與分析，電池管理系統BMS(battery management system)均為電池動力系統的設計重點項目。

化學電池能源系統  成為新一代環保載具重點能源選項

使用蓄電池作為系統備用能源、或是做為整個動力系統的主要驅動能源，其實並不是新穎的設計方案，目前已經有很多以電池為能源來源的應用設計，不管是電池提供主要能源應用、還是做為備用能源應用，從數百瓦的PC工作站UPS不斷電系統電力備援方案，到車、船、混合動力運具採行的數千瓦的電力系統，還有針對IDC機房、資料中心規劃動輒數百kW的電力備載系統，蓄電池建構的電力供應規劃使用已相當普遍，其中電池系統能夠耐久且高效能運作的關鍵就在於電池管理系統(BMS)。

以化學電池為基礎的電力供應系統，視驅動規模不同從數kW瓦至數百kW不等，驅動裝置或大型船、車載具已不是問題，化學電池在能量儲存部分並沒有太多技術門檻，反而是怎麼有效率、更可靠地使用電池能源，才是電池動力應用的重點。電池能源應用在小系統的開發案中，技術挑戰問題並不多，但隨著趨動的負載、電力輸出變大、電池系統大幅擴展後，高額電力輸出凸顯出電池動力系統的安全問題，這時電力系統就需要加入更新穎、更繁複的設計策略，維持系統最佳化應用狀態。

化學電池特性差異  影響大型電池陣列安全設計

大量化學電池所組合的電池模組，是設計電池陣列電力供應系統最大的挑戰，由於每個化學電池的製造批號、日期與材料來源差異，也會導致單位電池的性能參數出現部分差異，這些組構電力的電池單元，本身是需要經過模組化、同時搭配精密量測才能配置於電池陣列中，再搭配電池管理系統才能依照不同使用情境進行系統輸出配置，同時，電池陣列也需要考量後續擴充或是電池模組交換使用需求，提供更完善整體的電池管理與維護應用。

充/放電效能是化學電池受歡迎的材料亮點，但隨著化學電池組構的電池陣列越來越龐大，BMS的工作精準要求也就越來越嚴苛，因為在電池陣列使用環境中，較多是極為嚴苛的運作條件下進行設備驅動，例如，全電動車或是混合動力的油電汽車，電池陣列可能設置於汽車底盤或是後車廂位置，化學電池與相關電路處於高度震動、溫差高(高溫/低溫)環境，BMS除必須精準實時對電池單位模組狀態與系統溫度進行精密量測與資料彙總，透過BMS系統進行即時分析與系統運行判斷與預警，自系統溫度到單位電力模組狀態分析，對於電池陣列充電、輸出驅動設備都是相當重要的參考資料。

經由BMS精密追蹤、分析  提升電池陣列運作可靠度

BMS本身除了須要求極高的系統狀態與可靠性水準，也必須確保電池健康狀態的分析精準度與持續不斷的歷史數據累積，透過這些電池的基本健康資料才能讓電池系統準確判斷基於安全優先的最佳化驅動組態，而BMS系統運行環境處於高電壓、高電流、大功率條件下，BMS本身也需經過車用電子高要求標準，以更嚴苛的測試條件進行設備驗證。

雖然電池陣列搭配驅動設備，可以簡化至電池、負載與簡單電力線連接就能建構電力驅動系統，而監測設備可以設置於電池側進行運行狀態測試，雖然結構看似簡單，但實際使用的BMS卻更為複雜。為了提高電池陣列的強固特性，BMS必須針對每個單位電池組進行實時分析監測，所擷取的電池數據必須達到毫安培(mA)、毫伏特(mV)水準的數據精度，測量與資料蒐集處理時間需達到同步才能即時換算電池陣列的輸出功率，BMS本身除需要強化各個電池單元的監測效率、準確性，同時在匯集整合電池陣列數據方面，也需即時轉換，提供警示或是元件狀態讓使用者知道，電池單元只要一有錯誤訊息，BMS也必須即時分析、針對問題影響程度採取對應保護措施。

分散式模組化BMS設計  監控電池陣列運作狀態

先前也提過，化學電池充/放電效率高，為仰賴電池內的化學物質活性作用而來，化學電池本身即為穩定性不高的狀態，而電池單元使用特殊材料、封裝技術把高活性的化學材料包裝，提供應有的元件強度，與達到應有的使用安全標準。BMS系統則在現有的電池元件安全上再以數位即時監控、分析與故障判斷處理，提供電池陣列更高安全性、提升整體使用效能的數位管理系統，為了提升BMS內部傳輸的資料完整性，大功率或超大功率的電池陣列，也會使用分散式模組化的BMS架構搭配，使用較先進的資料編碼方式、傳輸數據錯誤檢查機制，避免因為數據傳輸干擾導致數據出錯。

以電動車、油電混合動力載具設計，電池陣列與BMS多設置於載具底盤或是後車廂，設置環境可能出現高溫、高度震動等惡劣運行條件，也必須搭配抑制車輛環境電器雜訊影響、提高電力驅動系統安全性的相關設計。BMS一般可以區分為三大子系統，如電池的連接介面、電源介面、電池控制模組等，透過分層架構設計，可針對不同電力驅動負載需求，選擇搭配或擴展BMS應用系統，而模組化設計的優點，則是生產商可以專心致力優化單位BMS的控制模組，而針對不同大小的驅動負載，僅需使用單位BMS模組進行擴展與整合，減少備料同時也能彈性配置針對不同負載所需的電池模組方案。

BMS分層架構隔離電池輸出  電池陣列安全性升級

基本上電池陣列設計，多數的載具或是應用設計，會以電池數量越多越好思考，因為單位電池數量多，代表著儲蓄電力更豐沛、驅動能力與續航力更大，電池數量增加也代表著電池組電壓也會相對提升。當所有的電池介面再經由整合、組合成更大輸出功率的電池陣列，電池管理在安全性的要求就更加吃重，透過電源介面，除可以將各電池模組的高電壓、大電流輸出隔離，電源介面本身亦可供應BMS運行電力，降低電池陣列電源整合複雜度。

透過模組化的BMS與架構分層形式，電池模組可以彈性組合至所需輸出電壓、電流，搭配以電源介面整合的多電池組容量並聯堆疊，除可免除需要大量高電壓/電流功率元件導致的電源控制模組設計與料件成本，還可透過單元BMS進階動態管理、或將整個電池陣列當作一個電力單元進行設備管理，具便利性與系統穩固性多重優點。

電池陣列系統最大的技術挑戰在於如何維持電池容量平衡，因為大型電池陣列一定是由多組電池單元或電池模組搭配組成，單位電池容量平衡若出現問題，就會產生能源損耗，不僅浪費蓄存能源、徒增電池模組運作溫度，平衡問題較大時甚至會造成單位電池加速老化、損壞。前面也提及，電池單元多使用化學電池，對於環境溫度若有出現差異，同一個模組即便單位電池為同一生產批量製造，但也會因為溫度差異導致電池蓄電能力差距變大，甚至導致單位電池提早老化，透過BMS系統的即時分析、追蹤與記錄，可以提早發現單位電池的健康狀態，透過控制系統平衡負載改善電力取用，優化整體電池陣列的使用效能與壽命表現。