不少智能手機(jī)或便攜設(shè)備，都是不可自行替換電池的設(shè)計(jì)。為防通訊意外中斷，用戶越來越依賴電池容量估算功能，讓電池管理系統(tǒng) (BMS) 地位日隆。羅姆半導(dǎo)體 (Rohm) 臺灣設(shè)計(jì)中心副主任工程師粘承允表示，＂電池容量檢測＂是 BMS 主要功能之一，通常以庫侖計(jì)數(shù) (Coulomb count) 估量；解析越精準(zhǔn)，不僅可降低誤差容忍度、不致高估剰余電量，還能縮小整個(gè)電池組的體積。傳統(tǒng)電池組的庫侖計(jì)數(shù)架構(gòu)是用電流感測放大器監(jiān)測實(shí)時(shí)電流，再由微控制器 (MCU) 軟件演算數(shù)值，但羅姆建議開發(fā)者改采專用庫侖 IC、以硬件計(jì)算整合后的數(shù)值。
照片人物：羅姆半導(dǎo)體臺灣設(shè)計(jì)中心副主任工程師粘承允
粘承允說明，傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)架構(gòu)須外掛放大器，且周邊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和模擬前端 (AFE) 又各自存在細(xì)微誤差，通常需經(jīng)過 3～5% 不等的校正程序——視采樣速度和ADC 分辨率而定，更有高達(dá) 10% 者。因此，頂多適用于分流器 (Shunt) 電阻或死循環(huán)電流傳感器，若用來估算整個(gè)電池組的電量，恐力有未逮。反觀專用芯片 (例如，BD7220FV-LA 庫侖計(jì)數(shù)芯片) 能減少 MCU 工作負(fù)載，還可加載中斷警示、喚醒、休眠等額外功能，更便于＂實(shí)時(shí)＂監(jiān)控短至幾百毫秒的瞬間變化 (開發(fā)者可定義時(shí)間單位)。
圖1：用于電池組的庫侖計(jì)數(shù)器架構(gòu)比較
資料來源：羅姆半導(dǎo)體
BMS 可延長電池組壽命？未必！
粘承允介紹，極致整合的電池充電狀態(tài) (State of Charge, SOC) 功能可涵蓋：過電流保護(hù) (OCP)、過電壓保護(hù) (OVP)、欠電壓保護(hù) (UVP)、過溫度保護(hù) (OTP)、短路保護(hù) (SCP)，高階版本還包括低溫保護(hù) (UTP)。他特別提到，大串?dāng)?shù)電池的 BMS 挑戰(zhàn)在于：須用許多隔離組件以確保電氣運(yùn)作，若是自行采購分離式組件、組態(tài)，頗為耗電，且整體材料清單成本 (BOM Cost) 與集成產(chǎn)品相差無幾，未必劃算；另內(nèi)部通訊接口的整合也有難度，前端遇到的問題解決后，難保后端不會(huì)再次發(fā)生狀況，煩瑣工作著實(shí)不少。搭載 BMS 的另一個(gè)要求是：有助于延長電池壽命。
粘承允介紹，極致整合的電池充電狀態(tài) (State of Charge, SOC) 功能可涵蓋：過電流保護(hù) (OCP)、過電壓保護(hù) (OVP)、欠電壓保護(hù) (UVP)、過溫度保護(hù) (OTP)、短路保護(hù) (SCP)，高階版本還包括低溫保護(hù) (UTP)。他特別提到，大串?dāng)?shù)電池的 BMS 挑戰(zhàn)在于：須用許多隔離組件以確保電氣運(yùn)作，若是自行采購分離式組件、組態(tài)，頗為耗電，且整體材料清單成本 (BOM Cost) 與集成產(chǎn)品相差無幾，未必劃算；另內(nèi)部通訊接口的整合也有難度，前端遇到的問題解決后，難保后端不會(huì)再次發(fā)生狀況，煩瑣工作著實(shí)不少。搭載 BMS 的另一個(gè)要求是：有助于延長電池壽命。
可惜，它并非電池組＂延年益壽＂的萬靈丹。粘承允闡述，單電池 (Cell) 理論上無疑義，但串聯(lián)成電池組 (Battery Pack) 可就不一定了！由于每串電池的電化學(xué)反應(yīng)不可能一模一樣，假如電池組中某個(gè) Cell 出問題，基于 BMS＂維持電池間均衡＂理念，與其串聯(lián)的電池伙伴會(huì)前來馳援，旨在使電池組中的各串電池達(dá)到均衡一致；如此一來，恐形成互相拖累、掣肘之勢，會(huì)減損整體電池組的壽命。這可借用知名的＂木桶效應(yīng)＂解釋：一只木桶最終能盛蓄多少水量，非由桶壁上最高的那塊木板做主，關(guān)鍵還得最短的那塊木板說了算。
圖2：羅姆半導(dǎo)體 BMS 參考電路設(shè)計(jì)
資料來源：羅姆半導(dǎo)體
＂木桶效應(yīng)＂暗喻：組員功力相當(dāng)，才具正向加乘效果
惟有桶壁上的所有木板皆一般高，才能杜絕內(nèi)容物從缺了的一角外泄。投射在 BMS 即為：整體電池組的蓄電能力，取決于內(nèi)部性能最差的電池。假如電池組中的各個(gè) Cell 皆身強(qiáng)體健，自然能加倍發(fā)揮戰(zhàn)力；但若有＂豬隊(duì)友＂扯后腿，反會(huì)加速電池組老化。粘承允分析，實(shí)現(xiàn)＂電池均衡＂有兩種途徑：一是利用電容、電感等無源組件積極介入能量轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)，已有半導(dǎo)體大廠申請相關(guān)專利；二是齊頭式平等，不論單電池當(dāng)下體質(zhì)如何？只管等額注入電量，屬消極式管理。那么，將多串電池濃縮成單串，是否較容易管理？
惟有桶壁上的所有木板皆一般高，才能杜絕內(nèi)容物從缺了的一角外泄。投射在 BMS 即為：整體電池組的蓄電能力，取決于內(nèi)部性能最差的電池。假如電池組中的各個(gè) Cell 皆身強(qiáng)體健，自然能加倍發(fā)揮戰(zhàn)力；但若有＂豬隊(duì)友＂扯后腿，反會(huì)加速電池組老化。粘承允分析，實(shí)現(xiàn)＂電池均衡＂有兩種途徑：一是利用電容、電感等無源組件積極介入能量轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)，已有半導(dǎo)體大廠申請相關(guān)專利；二是齊頭式平等，不論單電池當(dāng)下體質(zhì)如何？只管等額注入電量，屬消極式管理。那么，將多串電池濃縮成單串，是否較容易管理？
粘承允不忘叮囑它有一個(gè)前提是：保護(hù)區(qū)間須等比例擴(kuò)充。他統(tǒng)整 BMS 有三大評判重點(diǎn)：
1. 分辨率：是論斷 BMS 好壞的關(guān)鍵指針，消費(fèi)電子若能解析到 1mV 水平、電動(dòng)車約 3～4mV，即堪稱優(yōu)等，坊間產(chǎn)品優(yōu)劣的極端差距可達(dá) 10mV；
2. 消耗電流：IC 本身也有功耗，且會(huì)隨采樣速度呈正比增長；
3. 功能多寡：單一功能的獨(dú)立式產(chǎn)品因價(jià)格便宜，仍是當(dāng)今主流，而集成前端和 MCU 的集成產(chǎn)品因須采用超低功耗組件，成本較高；以 300 Ah (安培X小時(shí)) 的電動(dòng)機(jī)為例，整個(gè) BMS IC成本約落在 0.7～3 美元。
1. 分辨率：是論斷 BMS 好壞的關(guān)鍵指針，消費(fèi)電子若能解析到 1mV 水平、電動(dòng)車約 3～4mV，即堪稱優(yōu)等，坊間產(chǎn)品優(yōu)劣的極端差距可達(dá) 10mV；
2. 消耗電流：IC 本身也有功耗，且會(huì)隨采樣速度呈正比增長；
3. 功能多寡：單一功能的獨(dú)立式產(chǎn)品因價(jià)格便宜，仍是當(dāng)今主流，而集成前端和 MCU 的集成產(chǎn)品因須采用超低功耗組件，成本較高；以 300 Ah (安培X小時(shí)) 的電動(dòng)機(jī)為例，整個(gè) BMS IC成本約落在 0.7～3 美元。
動(dòng)態(tài)記錄電池容量，車用市場潛力大
粘承允觀察，未來 30 年內(nèi)的車載四大趨勢分別會(huì)是電動(dòng)車、車聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 以及自動(dòng)駕駛，且在環(huán)保意識抬頭的情況下各國都訂立出了環(huán)保相關(guān)的法令，例如，德國聯(lián)邦參議院已要求在 2030 年之前禁售引擎汽車。Volvo 從善如流，宣布將于 2019 年開始停止生產(chǎn)汽、柴油引擎，而法國也計(jì)劃于 2040 年終止汽柴油動(dòng)力的販賣；歐盟部分國家開始制訂時(shí)程表，最快擬于 2030 年全面禁止生產(chǎn)汽、柴油引擎。可見汽車走向電動(dòng)化勢在必行，而 BMS 本身即為電動(dòng)車不可或缺的組件之一。
粘承允觀察，未來 30 年內(nèi)的車載四大趨勢分別會(huì)是電動(dòng)車、車聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 以及自動(dòng)駕駛，且在環(huán)保意識抬頭的情況下各國都訂立出了環(huán)保相關(guān)的法令，例如，德國聯(lián)邦參議院已要求在 2030 年之前禁售引擎汽車。Volvo 從善如流，宣布將于 2019 年開始停止生產(chǎn)汽、柴油引擎，而法國也計(jì)劃于 2040 年終止汽柴油動(dòng)力的販賣；歐盟部分國家開始制訂時(shí)程表，最快擬于 2030 年全面禁止生產(chǎn)汽、柴油引擎。可見汽車走向電動(dòng)化勢在必行，而 BMS 本身即為電動(dòng)車不可或缺的組件之一。
因此，未來市場對 BMS 需求是可期的。此外，大型動(dòng)力電池若要兼顧提取便利性和能量密度，重量在 10 公斤以內(nèi)的 48V、10～15 Ah 容量的電池，是電動(dòng)自行車、儲能系統(tǒng) (ESS) 和不斷電系統(tǒng) (UPS) 的理想規(guī)格，輕度混合動(dòng)力車 (Micro HV) 則是下一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用。48V 動(dòng)力電池多由 13～14 串 18650 鋰電池 (或 16 串鋰鐵電池) 組成，一般電池芯通常需經(jīng)過 2,000 次生命周期 (Life Cycle)，但多串?dāng)?shù)的系統(tǒng)會(huì)因一致性問題而有所減少。各家廠商也基積極的開發(fā) BMS 系統(tǒng)、以達(dá)成 7 年 700 次 Life Cycle 目標(biāo)。
圖3：鋰鐵電池市場一覽
資料來源：羅姆半導(dǎo)體
粘承允透露，藉由記錄當(dāng)下電力消耗動(dòng)態(tài)及充、放電數(shù)據(jù)上傳云端，可做深層車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。考慮此類產(chǎn)品具有少量多樣特性，羅姆目前是以客制化方式提供；未來待整體環(huán)境成熟，不排除推出標(biāo)準(zhǔn)品，且一定會(huì)經(jīng)過 AEC-Q100 認(rèn)證才上市。
后端動(dòng)力單元亟需 BMS 保護(hù)電路
電池過度充、放電輕則會(huì)導(dǎo)致蓄電量下降，重則將損壞電池。一般鋰電池系統(tǒng)可分為＂電池組＂和＂動(dòng)力單元＂兩大區(qū)塊來看，羅姆在前端保護(hù) IC、AFE、保護(hù)電阻 (開關(guān)) 和閘極驅(qū)動(dòng)器 (Gate Drivers) 擁有不小的市占率，近來再新增電流監(jiān)測產(chǎn)品。粘承允笑說，這樣的產(chǎn)品藍(lán)圖彷佛顯得理所當(dāng)然——羅姆的英文拼字正是取自＂電阻 (R)＋歐
電池過度充、放電輕則會(huì)導(dǎo)致蓄電量下降，重則將損壞電池。一般鋰電池系統(tǒng)可分為＂電池組＂和＂動(dòng)力單元＂兩大區(qū)塊來看，羅姆在前端保護(hù) IC、AFE、保護(hù)電阻 (開關(guān)) 和閘極驅(qū)動(dòng)器 (Gate Drivers) 擁有不小的市占率，近來再新增電流監(jiān)測產(chǎn)品。粘承允笑說，這樣的產(chǎn)品藍(lán)圖彷佛顯得理所當(dāng)然——羅姆的英文拼字正是取自＂電阻 (R)＋歐
圖4：完整的電池系統(tǒng)包括＂電池組＂和＂動(dòng)力單元＂兩大區(qū)塊
資料來源：羅姆半導(dǎo)體
粘承允亦注意到電池材料的趨勢演進(jìn)，十分肯定近來特斯拉 (Tesla) 等電動(dòng)車大廠力拱的＂三元聚合物鋰電池＂(三元鋰) 后勢：以現(xiàn)有的電池生產(chǎn)模銷售模式來看、可以將電池分成幾個(gè)級距來做分級，讓生產(chǎn)出來的電池都有市場可以銷售——A 級特優(yōu)品供車用，其余 B、C、D 仍然可依不同質(zhì)量等級用于各式消費(fèi)電子。更重要的是，能量密度大于磷酸鋰鐵；這意味著：同樣蓄電能力下、電池體積更迷你，或是同樣體積的電池、續(xù)航力更佳。不過粘承允預(yù)言：能量密度更高、且可完全根除電解液外流所引發(fā)爆炸疑慮的＂固態(tài)電池＂，將更備受期待。
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